ILC測定器
竹下徹（信州大）
＠山形大 17June2014
ILC大学連携タスクフォースセミナー

VTX:KEK,東北,信州
TPC: KEK,佐賀: LCTPC

CAL: 九州,信州,筑波,東京 : CALICEILC: 線形電子陽電子衝突型加速器• ILC : 200GeV-1TeV• Higgs : Yukawa coupling• Higgs : spin parity• Higgs : self coupling• SUSY / ダークマター• top の物理
• HZZ/HWW coupling
2

ACFA study

S.Yamashita

ILC: 線形電子陽電子衝突型加速器• ILC : 200GeV-1TeV• Higgs : Yukawa coupling• Higgs : spin parity• Higgs : self coupling• SUSY / ダークマター• top の物理
• HZZ/HWW coupling
2

ACFA study

S.Yamashita

ILC: 線形電子陽電子衝突型加速器• ILC : 200GeV-1TeV• Higgs : Yukawa coupling• Higgs : spin parity• Higgs : self coupling• SUSY / ダークマター• top の物理
• HZZ/HWW coupling
2

ACFA study

S.Yamashita

ILCの物理と計画n

LHC to ILC

ATLAS-simulation
BGから本物を探す(全部)本物を正確に測る
3

ILCの物理と計画n

LHC to ILC

ATLAS-simulation
BGから本物を探す(全部)本物を正確に測る
3

ILCの物理と計画n

LHC to ILC

ATLAS-simulation
BGから本物を探す(全部)本物を正確に測る
3

ILCの物理と計画n

LHC to ILC

ATLAS-simulation
BGから本物を探す(全部)本物を正確に測る
3ILCの物理と計画n

LHC to ILC

ATLAS-simulation
BGから本物を探す

ILC: ee>ZH>qqbb sim.
3(全部)本物を正確に測る

ILCの物理と計画n

LHC to ILC

Clean

ATLAS-simulation
BGから本物を探す

ILC: ee>ZH>qqbb sim.
3(全部)本物を正確に測る

測定n

観測粒子：安定なπ,K,e,p,n,γ :ジェットn

知りたい物理にせまるか？

n

事象(q/g/H/W/Z)の同定

ec/Z
e+

jets
Higgs>bb
Z>qqjets4測定n

観測粒子：安定なπ,K,e,p,n,γ :ジェットn

知りたい物理にせまるか？

n

事象(q/g/H/W/Z)の同定

ec/Z
e+

Higgs>bb
Z>qq

4

測定n

観測粒子：安定なπ,K,e,p,n,γ :ジェットn

知りたい物理にせまるか？

n

事象(q/g/H/W/Z)の同定

ec/Ze+Higgs>bb
Z>qq4

測定対象粒子n

安定粒子エネルギー分布と平均エネルギー/event

Esum分布

104e+e- > WW at 250GeV

Ei分布:lowE多数
photon 光子π0e+e->ZH 250GeV
10average of (Energy SUM)

3000
37960
3.621 
6.015
0.000

ID
Entries
Mean
RMS
UDFLW








3

KoL



10,'(QWULHV
0HDQ
5068')/:

2charged
100

KoL

π±/K±

charged200光子πphoton



±±
π /K

neutralhadron1neutralhadron406080100

particle energy (GeV)5

E(GeV)



測定器の性能
測定精度n

１粒子エネルギー測定精度

π±/K±n1momentum / energy resolution
HCAL

200GeV以下は荷電粒子0.1の運動量を測る : tracker
エネルギー測定n

光子：ECALnKoL : HCAL

π0resolution

n

ECAL

0.01

Tracker

0.001

0.00016

運動量(GeV)
1

10

100

momentum (GeV)

1000

再構成PFAトラックn

jet内の粒子を測定n

トラックから運動量ベクトルnカロリメータからエネルギーnjetのE,pを計算n

トラックとクラスターマッチングn

ECALから取り除くn

残りは光子（のはず）

クラスタ

HCAL

荷電粒子

光子
7ECAL

track再構成PFA

トラック

n

jet内の粒子を測定n

トラックから運動量ベクトルnカロリメータからエネルギーn

jetのE,pを計算n

トラックとクラスターマッチングn

ECALから取り除くn

残りは光子（のはず）

クラスタ

HCAL

荷電粒子

光子
7ECALtrack再構成の問題

n

クラスタリング法：測定器細分化度に依存 ECALn

運動量とエネルギーがマッチしない場合

n

クラスタから取り残されたhitn

測定器への要求： クラスター分離n

３D細分化＜＞コスト

n

大きさ

8HCALdddd

PFAの測定器への要求nJet エネルギー分解能＞測定器を縛る：細分化

In ILD detector
vary ECAL Si pixel
size andHCAL tile size
ECALmodel
サイズ
HCAL
サイズ

3.5%

ILC GoECAL Conclusions:• Ability to resolve photons in current PandoraPFA algorithm stronMark Thomson
dependent on transverse cell9 size

PFAの測定器への要求nJet エネルギー分解能＞測定器を縛る：細分化

In ILD detector
vary ECAL Si pixel
size andHCAL tile size
ECALmodel
サイズ
HCAL
サイズ

3.5%

ILC GoECAL Conclusions:• Ability to resolve photons in current PandoraPFA algorithm stronMark Thomson
dependent on transverse cell9 size

PFAの測定器への要求nJet エネルギー分解能＞測定器を縛る：細分化

In ILD detector
vary ECAL Si pixel
size andHCAL tile size
ECALmodel
サイズ
HCAL
サイズ

3.5%

ILC GoECAL Conclusions:• Ability to resolve photons in current PandoraPFA algorithm stronMark Thomson
dependent on transverse cell9 size

PFAの測定器への要求nJet エネルギー分解能＞測定器を縛る：細分化

In ILD detector
vary ECAL Si pixel
size andHCAL tile size
ECALmodel
サイズ
HCAL
サイズ

3.5%

ILC GoECAL Conclusions:• Ability to5mm
resolve photons in current PandoraPFA algorithm stronMark Thomson
dependent on transverse cell9 size

PFAの測定器への要求nJet エネルギー分解能＞測定器を縛る：細分化

In ILD detector
vary ECAL Si pixel
size andHCAL tile size
ECALmodel
サイズ
HCAL
サイズ

3.5%

ILC GoECAL Conclusions:
3cm• Ability to5mm
resolve photons in current PandoraPFAalgorithm stronMark Thomson
dependent on transverse cell9 size

ILCの売り大TPC•• Jetの元粒子(quark/Higgs/WZ)特定• Vertexing : b/c jet 同定能力Higgs全幅• Tracking : jet 選別能 : 2/4/6 jets
• Calorimeter : jet Energy分解能 : 元粒子の質
W/Z分離+Calorimetry at a Future e e Collider

高い運動量分解能~10-5 p

T! What motivates the jet energy requirements at a future LC ?
" in part, depends on physics..
! Likely to be primarily interested in di-jet mass resolution" For a narrow resonance, want best possible di-jet mass res.

量" + strong desire to separate W/Z hadronic
decaysνee.g.
W/Z 分離
j1
j4
q
W/Z
W/!"
e+qn EJet分解能＜3.5%
qe+–eW/!"
j2 νq
j3

•

123410ILD 測定器
カロリ
メータ
飛跡
VTX

電子

陽電子

磁場用
コイル
11

ILD 測定器
カロリ
メータ
飛跡
VTX

電子

陽電子

磁場用
コイル
11

ILD 測定器
カロリ
メータ
飛跡
VTX

電子

陽電子

磁場用
コイル
11

ILD 測定器
カロリ
メータ
飛跡
VTX

電子

陽電子

磁場用
コイル
11

ILD 測定器
カロリ
メータ
飛跡
VTX

電子

陽電子

磁場用
コイル
11

ILD 測定器
カロリ
メータ
飛跡
VTX

電子

陽電子

磁場用
コイル
11

ILD 測定器
カロリ
メータ
飛跡
VTX電子陽電子

磁場用コイル11

ILD 測定器
カロリメータ
飛跡VTX

電子

陽電子

磁場用コイル11

Vertex測定器
n

KEK,東北,信州
ILC vertex detectorb/c クオークの識別

崩壊点検出器 (VTX) として高精細かつVertex detector
ILC (International Linear Collider)
低物質量のピクセル検出器• e e linear accelerator in the future+ -e+• CM energy : 500GeV

ビームパイプに近く薄い50µm• Precise measurement
Higgs and new
18mm forphysics is planed.
planede-ILC vertex detector• Necessary to study Higgs coupling to mass
• Excellent impact parameter resolution isrequired.
崩壊点3/2 θ) (µm)¾ σIP = 5 + 10/(pβ sine-XIP

Higg
gs couplinng

位置測定精度：５µmピクセル

hadrons• ILC-VTX detector isstudied in >10 groups.
b/ce+
121

Mass v.s.
v s Higgs coupling
W H
Z

H>ccも見える

0.1

0.01

tcτ
1b

10100
Mass(GeV)

Vertex測定器
n

KEK,東北,信州
ILC vertex detectorb/c クオークの識別

崩壊点検出器 (VTX) として高精細かつVertex detector
ILC (International Linear Collider)
低物質量のピクセル検出器• e e linear accelerator in the future+ -e+• CM energy : 500GeV

ビームパイプに近く薄い50µm• Precise measurement
Higgs and new
18mm forphysics is planed.
planede-ILC vertex detector• Necessary to study Higgs coupling to mass
• Excellent impact parameter resolution isrequired.
崩壊点3/2 θ) (µm)¾ σIP = 5 + 10/(pβ sine-XIPHigggs couplinng

位置測定精度：５µmピクセル

hadrons• ILC-VTX detector isstudied in >10 groups.
b/ce+
121

Mass v.s.
v s Higgs couplingW H
Z

H>ccも見える

0.1

0.01

tcτ
1b

10

100
Mass(GeV)

Vertex測定器
n

KEK,東北,信州
ILC vertex detectorb/c クオークの識別

崩壊点検出器 (VTX) として高精細かつVertex detector
ILC (International Linear Collider)低物質量のピクセル検出器• e e linear accelerator in the future+ -e+• CM energy : 500GeV

ビームパイプに近く薄い50µm• Precise measurement
Higgs and new
18mm forphysics is planed.
planede-ILC vertex detector• Necessary to study Higgs coupling to mass
• Excellent impact parameter resolution isrequired.
崩壊点3/2 θ) (µm)¾ σIP = 5 + 10/(pβ sine-XIPHigg
gs couplinng

位置測定精度：５µmピクセル

hadrons• ILC-VTX detector isstudied in >10 groups.
b/ce+121

Mass v.s.
v s Higgs couplingW HZ

H>ccも見える0.10.01tcτ
1b10

100Mass(GeV)Vertex測定器
n

KEK,東北,信州
ILC vertex detectorb/c クオークの識別

崩壊点検出器 (VTX) として高精細かつVertex detector
ILC (International Linear Collider)
低物質量のピクセル検出器• e e linear accelerator in the future+ -e+• CM energy : 500GeV

ビームパイプに近く薄い50µm• Precise measurement
Higgs and new
18mm forphysics is planed.
planede-ILC vertex detector• Necessary to study Higgs coupling to mass
• Excellent impact parameter resolution isrequired.
崩壊点3/2 θ) (µm)¾ σIP = 5 + 10/(pβ sine-XIPHigggs couplinng

位置測定精度：５µmピクセル

hadrons• ILC-VTX detector isstudied in >10 groups.
b/ce+
121

Mass v.s.
v s Higgs coupling
W H
Z

H>ccも見える0.10.01tcτ
1b10100Mass(GeV)

飛蹟検出器n

KEK,佐賀

荷電粒子の運動量測定

飛跡検出器として高分解能かつ低物質量の TPC

1/10n

σ/p ~ p/√NpointBL2

B

131/6
Higgs 全幅model indep.

飛蹟検出器n

KEK,佐賀

荷電粒子の運動量測定

飛跡検出器として高分解能かつ低物質量の TPC

1/10n

σ/p ~ p/√NpointBL2

B

131/6
Higgs 全幅model indep.

TPC Time ProjectionCh.
n

電子を電場でEndplateまで運ぶ〜2mEndPlate ：位置と時間測定
GEM
ガス増幅

14

TPC Time ProjectionCh.
n

電子を電場でEndplateまで運ぶ〜2m

EndPlate ：位置と時間測定
GEM
ガス増幅

14Calorimeter
九州,信州,東京,筑波
1/10

高精細センサーを備えたサンプリングカロリメータ [電磁カロリメータ (ECAL)とハドロンカロリメータ (HCAL)]
silicon pad
5mmn

ECALn

光子測定：細分化~5mmn

回路積層cableなし〜

読み出し回路

18cm

センサー

実機
scintillator strip

158mm

18cm

!"#$%&'"($)*+,-.",$/0$12&$33
半導体光センサー

ピクセル化半導体光センサー[シンチカロリメータ(E＆H_4;7]=/41!>,?@
A%B
0123456789...
CAL)
MNHNM!;7))'O

回路内積層化〜30-50<PFA%;H#
10000 pixel MPPCの応答特性Comparison of RC_scaled
センサー&電子回路：薄い〜２mm(P'!79K光子数(PQ!L!)(RV(PQ?'W!L!)(R)!79K-

MPPC output [p.e.]

MPPC output [p.e.]

H45,!V,L9,K+!J48-+!'XX!+45,-W]
AHCAL
3x3cm214000!!F498C1!F%?*((!;C5YZ41Y5+C5[,1,\!K,/D!,
10000 pixelはかなりダイナミックレンジが広い！ 12000!!2"3451)6!41-+,/2!CJ!0C[52,2]!40K8CZ,
10000 pixel＋シンチレータ
10000!!17%89:%;5<)&]!
! 7/9:41,2!9C[K541<!+C!0/+9:!_4;7
Comparison of RC_scaled8000! _4;7!M/K+C1!-[KKC8+!<5[,2!+C!K5/-+49
6000
14000
! `9/+:,28/5a!28455!41!J8C1+!CJ!+:,!_4;7!+C
4000
12000
7;b!7[149:!2,-4<1W
2.4mmx1.9mm
1600 pixel＋シンチレータ
1mm
10000 pixel＋シンチレータ
2000
10000

c8/KK41<]!100050
100
150
200
250
!!+45,-!/8,!4124Z42[/55Y!38/KK,2!34+:!U7!E4D[4+4!8,J5,9+C8!JC451mm
Incident Photon Intensity [photoelectrons on MPPC]
38000
6000

10000 pixel単体

4000
2000
00!!JC45!9[+!34+:!5/-,8!9[++,810000 pixelも1600 pixelと同様に!
! :C5,!JC8!_4;7!0C14+C841<!Z4/!&NA!C1!+:,!$Fd
シンチレータをつけた事による出力の上昇を確認！
! 9[+!JC8!+3C!24JJ,8,1+!:C5,!KC-4+4C1-!VQOT!CJ!$Fd!&NA!KCp+!!2)34"153"==>%?&"@@)6!/8C[12!+:,!+45,e
10000 pixelのRC時定数~1.6 ns!10!!J4L,2!34+:!-+49D,8!34+:!fB!9C2,!JC8![14g[,!42,1+4J49/+4C1n++
350
100
150
200
250
Incident Photon Intensity [photoelectrons on MPPC]

16!11!"#$"%!&'()&%!"!!#$%#&!'()*!+,-+!.,/0!/12

ILC測定器まとめ• ILC加速器での実験のための高精度測定器• 世界的競争と競合での開発~準備できた
細分化VTXTracker

ECAL10-4 p

LHC

150μm

ILC

pixel :
σ/p:5μm 5x10-5 p
175cm
510 ch0.5cm
810 chJet 分解能60%/ Ej
30%/ Ej

Higgs 解析nevent を4jetsに分ける

J1

J4θ12n 各ジェットのエネルギーと方向J2
J
E = !p + !E + !E3!"!##"$%&'()*+,$(+-&./,('-0&.jetichargedn

b-jetか？

iphotoni
neutral hadron

12-34(&'.56$778$!!$VTX-detector
9:;3+.+//<=>?$@9,244;.4A$-',$&.:B FGH?=I K;,L&',$3;.+M20-2:$-&./,(2;.,$N,/)J$O-MGH?=$E+Pn

２つの b-jetsで不変質量:mH" C;4D1E$" C;4$" 1E$n

山がHiggs mass にできるか？

n

ee>ZH>ﬀbb18

O-MGQ?=$E+P
" C;4D1E$" C;4$" 1E$

Higgs 解析n

event を4jetsに分ける

J1J4θ12n 各ジェットのエネルギーと方向J2
J
E = !p + !E + !E3!"!##"$%&'()*+,$(+-&./,('-0&.jetichargedn

b-jetか？

iphotoni
neutral hadron

12-34(&'.56$778$!!$VTX-detector
9:;3+.+//<=>?$@9,244;.4A$-',$&.:B FGH?=I K;,L&',$3;.+M20-2:$-&./,(2;.,$N,/)J$O-MGH?=$E+Pn

２つの b-jetsで不変質量:mH" C;4D1E$" C;4$" 1E$n

山がHiggs mass にできるか？

n

ee>ZH>ﬀbb
18

O-MGQ?=$E+P
" C;4D1E$" C;4$" 1E$

Higgs 解析n

event を4jetsに分ける

J1J4

θ12n 各ジェットのエネルギーと方向J2
J
E = !p + !E + !E3!"!##"$%&'()*+,$(+-&./,('-0&.jetichargednb-jetか？

iphotoni
neutral hadron

12-34(&'.56$778$!!$VTX-detector
9:;3+.+//<=>?$@9,244;.4A$-',$&.:B FGH?=I K;,L&',$3;.+M20-2:$-&./,(2;.,$N,/)J$

O-MGH?=$E+Pn

２つの b-jetsで不変質量:mH" C;4D1E$" C;4$" 1E$n山がHiggs mass にできるか？

n

ee>ZH>ﬀbb
18

O-MGQ?=$E+P
" C;4D1E$" C;4$" 1E$

WZH

エネルギー測定nn

カロリメータカロリメータE \ E measured

入射粒子を止める~ (止まるまでに落とすエネルギー) : 重い物質
ECAL

large Zn 光子/電子：電磁シャワー：短いX01.8cm FeγHCALn

largeA
ハドロン：ハドロンシャワー：長π0起源い、電磁シャワーを含む
n

crystalサンプリング型と一様型
19π/K
λI

16.8cm Feジェットの測定
H/W/Z/? q/gjetn

終状態の大半はジェットn

ジェットエネルギーEjetはジェット内の粒子の和E jet =!p + !E + !Eichargedn

n

iphotoni
neutral hadron

Ejetの測定精度2 ~ (wc荷電粒子)2+(wp光子)2+jet part. shower(wkKoL)2+(confusion)2
wc~0.65, wp~0.25, wK~0.1
20

jet part. shower

ジェットの測定
H/W/Z/? q/gjetn

終状態の大半はジェットn

ジェットエネルギーEjetはジェット内の粒子の和E jet =!p + !E + !Eichargednniphotonineutral hadron

Ejetの測定精度2 ~ (wc荷電粒子)2+(wp光子)2+jet part. shower(wkKoL)2+(confusion)2
wc~0.65, wp~0.25, wK~0.1
20

jet part. shower

ジェットの測定
H/W/Z/? q/gjetn

終状態の大半はジェットn

ジェットエネルギーEjetはジェット内の粒子の和E jet =!p + !E + !E
ichargednniphotonineutral hadron

Ejetの測定精度2 ~ (wc荷電粒子)2+(wp光子)2+jet part. shower(wkKoL)2+(confusion)2
wc~0.65, wp~0.25, wK~0.1
20

jet part. shower

ジェットの測定
H/W/Z/? q/gjetn

終状態の大半はジェットn

ジェットエネルギーEjetはジェット内の粒子の和E jet =!p + !E + !E
ichargednn

iphotoni
neutral hadron

Ejetの測定精度2 ~ (wc荷電粒子)2+(wp光子)2+jet part. shower(wkKoL)2+(confusion)2
wc~0.65, wp~0.25, wK~0.1
20

jet part. shower

ジェットの測定
H/W/Z/? q/gjetn

終状態の大半はジェットn

ジェットエネルギーEjetはジェット内の粒子の和E jet =!p + !E + !E
ichargedn

n

iphotoni
neutral hadron

Ejetの測定精度2 ~ (wc荷電粒子)2+(wp光子)2+jet part. shower(wkKoL)2+(confusion)2
wc~0.65, wp~0.25, wK~0.1
20

jet part. shower

PFA PFAvs. Trad.
Cal.
vs conv. CAL

Contributions
CAL only vs PFA to resolution
resolution vs confusionr PFA, but also good conventional calorimeters:r depends on jet energy

energy jets: RESOLUTION
energy jets: CONFUSION
s-over at ~100 GeV
high energy jets: leakage importantii)i) ?
ind of confusion

hotonsiii)

erged into charged had. shower)

eutral hadrons

leakagen merged into charged had. shower)

harged hadron fragmentsi)PFA< reconstuctedcalments of chargedhad.
as neutral hadron)yswinsoverpurelycalorimetricapproach
Mark Thomsonenergies ii)ii)
is thelargestcontribution,e.g.
for250
GeVjetsleakage21
ct ofleakage clear
at high energies 39
T.Takeshita@ILC-SC2013

PFAの測定器への要求
B vs R

Jet エネルギー分解能＞測定器を縛る：大きさ(PandoraPFA/ILD)
rically findn

3.5%Mark Thomson22