Standard Model(実験)まとめ

実験理論共同研究会「LHC が切り拓く新しい物理」
2009年4月3日
神戸大 山崎祐司

03 Apr 2009

Standard Model (実験)1

本日の内容

LHC での Standard Model 物理概観

2009/10 年でできる物理 （QCD 中心）
その先 （EW）

これから関与していきたい物理

現在の ATLAS 物理グループの研究状況
問題点と解析のプラン

top，B-meson decay の話はしません

03 Apr 2009

Standard Model (実験)2pp 衝突の標準模型過程

total cross section
single diffraction

Hard scattering O(mb)light-quark jets

heavy-flavour production

direct photon
suppressed by α/αs

Et > 100GeV jet: O(μb)

Hard QCD
process

Electroweak processes

Drell-Yan
W prod. O(100nb)

Z prod. O(10nb)

Diagrams with electroweak vertices(triple gauge-boson coupling)Standard Model おもな研究
赤字は，日本グループの始めたい物理W/Z production (→ll : 10 ~ 100pb−1)

Minimum bias (> 1μb−1)
non-perturbative QCD

Forward physics ≈ diffraction (> 1nb, but < 1030 cm−2s−1)

Jet production (> 1-100pb−1)

EW, QCD via EW probe

direct photon
perturbative QCD
b-jet cross sections
onium (J/ψ, ϒ) production

2009-10runから

EW studies with produced W/Z (> 100pb−1 – 10fb−1)
Diboson, Z0/γ interference
precision EW physics

03 Apr 2009

Standard Model (実験)2011以降5

W/Z 生成の物理

標準光源として検出器の較正 (tag-and-probe …)
ルミノシティ測定

100pb−1あたり事象数

断面積の不定性を抑えられたら(l)W: e, μ 各 ~500k
Z: 各 ~ 50k

物理1: 陽子の PDF fi (x, μ2)(parton density function) の測定
 断面積 ∝ (片方の PDF)×(反対側)×(振幅) ただし，生成メカニズムの精密な理解必要(ν)
よく知っている

物理2: W の質量測定


EW fit の重要なインプット
W+jets03 Apr 2009

Standard Model (実験)6

W/Z 生成とパートン密度x1( 2 ) =(E ± pZ )l + (E ± pZ )ν
2E p

M W2 = 2(E l Eν − pZl pνZ − pTl pνT )pTl ≈ pνT


W/Z の decay charged
lepton から x1, x2 が決まる
M = MW

03 Apr 2009

Standard Model (実験)7

W+/W− asymmetry

0.2

W asymmetryσ (W + ) − σ (W − )σ (W + ) + σ (W − )

0.1

0

W+
W−−2.52.5

η

W 崩壊の角度分布でなまる

Lepton asymmetry
A.M. Cooper-Sarker, DIS2007
長野(KEK)

x1.2

PDF
uncertainty1(d-quark) / (u-quark) の測定
dσ/dη を≪ 5% で測る必要あり

日本グループ興味あり→ 詳しくは sub-WG 長野さんのトーク
ATLAS解析の現状，問題点は後述

電荷の測れる範囲

ソフトな pp 衝突の物理いわゆる “Minimum bias” イベント


pT 低い → ハードスケールなし，αs 大
パートンが見えない，摂動無理
ハドロン物質同士の衝突とみなす
はっきりしたジェットの構造を持っていない

興味ある物理Charged track multiplicity
dN/dη, dN/dpT
 パイルアップシミュレーションのチューニング
 全断面積
パイルアップのない = low-lumi run 限定CSC p725
03 Apr 2009

Standard Model (実験)9

Minimum bias 解析
この解析 > 100MeV 目標
低い pT のトラッキング

現在のは pT < 200 MeVで急速に
reconstruction efficiency が悪化

トリガー効率

使うもの：LUCID, MBTS など
全断面積：４つのプロセスの和
σtot = σelas+σSD+σDD+σinel
プロセス，rapidity，
モデルによりdN/dη 異なる

CSC p735

標準の解析 > 500MeVLUCIDID

SD: single diffraction(上図)
DD: double diffraction

ハードなジェットによるdiffraction のメカニズム解明も
low-lumi の重要な物理プログラム
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Standard Model (実験)MBTS

CSC p727
10

ジェット生成σ ∝ (片方の PDF)×(反対側)×(振幅) だが…
 「振幅」= パートン散乱には理論の大きな不定性
 特に多ジェット (= 高次の摂動)
パートン ー ジェットの対応関係
 検出器：エネルギー測定（いわゆる JES: Jet energy scale）
 物理：ジェットファインダー

物理１：散乱過程の理解PDF

cross sections, dijet angular distribution, multijets …

物理２：PDF へのフィードバック

例：high-ET jet excess at CDF and gluon density

stat. error はJES 10% band
より小さい
(pT < 1.5 TeV,10pb-1)

Direct γPhoton がクォークから直接生成されるもの
Parton fragmentation からのは含まず

ジェットよりすこし「きれいな」過程


物理はほぼ同じ
 始状態: qg 多い → gluon PDF
パートン=ジェット
low-pT へ
エネルギー測定が精密 (EM)

ただし（ご存じの通り）
バックグランド多し （π0 等）100pb−1 で 1M event 以上 (ETγ > 17 GeV)

03 Apr 2009

Standard Model (実験)CDF は conversion を用いてこの excess は background でないとしている
12LONLO

Heavy-quark 生成
charm excitation

生成にたくさんのダイアグラムが寄与し，理論の高次補正が大きいLHC でどうなるか興味あり
始状態が gluon 高い CM energy→ より低い x のパートン関与bb pair がback-to-back になるとは限らない

gluon splitting

測定方法
最初は J/ψ tag
 Semileptonic tag
 b-tag

CDF run-I data
03 Apr 2009

Standard Model (実験)13

J/ψ の生成
２つのメカニズム
 直接生成

主にgg衝突でできる
ただし，中間状態がよくわかっていない（次ページ）

b-hadronからの崩壊

BR(bÆJ/ψX) = 1.16%
Proper timeを測ることで分離できる（b-tag!）
ボトムクォークの断面積が測れる

direct(prompt)→ 詳しくは sub-WG 織田さんのトーク
03 Apr 2009

Standard Model (実験)14

J/ψ 形成メカニズムと偏極

Colour-Singlet Model (CSM)vs Colour-Octet Model (COM) ?
 長年の疑問 Heavy-ion との比較
崩壊レプトンの角度分布異なるdN∝ 1 + α cos 2 θd cos θHelicity = ±1 (COM が近い)
→ α = +1 : transverse polarisation
 Helicity = 0 (CSM が近い)
→ α = −1 : longitudinal pol.
理論モデル:
データ説明できていない




CSM
カラー状態を「漂白」

COMsoftemission

Phys.Rev.Lett.99:132001,2007

Diboson 生成

物理：triple gauge-boson coupling (TGC)

BSM 模型：標準模型からのずれ 10−3 ~ 10−4 を予言
これに達する道のりは長いが…
~100pb−1 からイベント見える~1fb で Tevatron limit 超える

Systematic error
background (WZ)
theoretical error (NLO)→ 詳しくは sub-WG 松下さんのトーク
03 Apr 2009

Standard Model (実験)16Forward-backward asymmetry
from Z/γ interference(CSC の内容)
AFBlept,eff : sinθW の測定World average error: δ(sinθW) = 1.6×10−4
様々な測定からの error はほぼ同じ
100fb−1 で 50M Z0 → e+e− decay
δ(sinθW) = 2.4×10−4 (syst.)
主な uncertainty: PDF

角度の acceptance を広くとるためelectron を使う

W/Z 断面積測定の問題点と対策


解析の予定：muon で測ります
Muon trigger/reconstruction/selection efficiencies






W Charge asymmetry:

Z の tag-and-probe では統計が足りない
W の統計は Z の 10 倍W asymmetry では特に charge による systematic error が重要
全体の効率だけでなく，各 (η, pT) で << 5% で知りたいW → μν チャンネルなら，たくさんのミューオンが必要

u/d により感度が高くなるような運動学領域の研究

断面積測定誤差の最大の要因：
QCD ISR modeling (2%)
pT 分布，Forward jet など見ていく必要あり

03 Apr 2009

Standard Model (実験)18

J/ψ 解析の現状・問題点


Low-pT でのミューオンのtrigger/reconstruction efficiency


偏極測定では広い角度のacceptance が必要

低い pT の立ち上がりを調べる
J/ψ 自身の tag-and-probe で見るしかない

mu4mu6mu10cosθ

dimuon low-pT + single μ のトリガーのミックス，理解必要

生成メカニズムb-tag が不可欠

03 Apr 2009

Standard Model (実験)19

解析の方針J/ψ

おもな生成過程：b, c からのsemileptonic 崩壊 b → μνμX

semileptonic

Z0

Low-pT dimuon を集める


tag-and-probe 用 J/ψ → μμ
 new: bb の両方がsemileptonic
i.e. μνμX に崩壊するイベント


片方を MU10 (pT > 10 GeV) でとる

10pb-1 で始められる，十分な数 J/ψ：∼ 15k events/pb−1
 Semileptonic μ: ∼ 50k events/pb−1

for pT > 10 GeV
03 Apr 2009

W → μν: 5k/pb-1
Z → μμ : 500/pb-1

Standard Model (実験)20Probe muon を用いたトリガーチェック２ミューオンイベントの選別

タグミューオン：
 トリガー (MU10)
 そこそこ離れた近傍にジェットがある (large pTrel) optional: b-tag
プローブミューオン：ID のトラックを MS に外挿し，
 L1 スタディの場合，MDT にヒット
 L2 スタディの場合，
RPC/TGC にヒット
 バックグランド多いかもb-tag, pTrel … でpurity 上げる

probe muontag muon
ID: innner detector
MS: muon system
MDT: L2 以降，オフラインで用いるミューオンチェンバー
RPC, TGC: L1用ミューオンチェンバー

トリガー効率の絶対値は無理かも知れないが，(η, φ, pT) で細かく検出器を見る

堀，秋山（神戸）ΔRμ+μ−Δφ

L1 トリガー：(η, π) 方向のトロイド磁場による曲がりを用いる


赤：pT > 40 GeV, 紫：6 < pT < 10 GeV

Tag-and-probe のミューオンを用いて，この曲がりが正，負の電荷に対し正しくシミュレートされているか確かめる

結論：標準模型の物理は…


断面積大きいもの多しすぐに始められます

初測定はスピード重視（今の ATLAS SM group）
でも遅くとも２回目には精度が必要

イベントが必ずあります
物理的な動機も，十分あります

03 Apr 2009

Standard Model (実験)23

今日の parallel の内容

http://kds.kek.jp/conferenceDisplay.py?confId=2910
login Home > Experiments > ATLAS Meetings > 物理 > ミーティング > Standard model

始めたばかりで活動の方向を探っています
情報交換の場

03 Apr 2009

Standard Model (実験)24

ＳＭ解析の問題点：一般論
あえて対比すると…
Search の物理の場合


まずは detector acceptance 全域で探す
バックグランドからの fake が一番問題→ 検出器の穴, reconstruction/misID の “tail” がないことが大切SM 物理の場合


運動量から終状態の運動学的変数を再構成
次に，始状態の運動学的変数を再構成→ acceptance, resolution の (pT, η) 依存性が割とすぐに必要

Wの質量測定

SM fit に重要なインプット
Systematic error: e, μ のエネルギースケール


Calibration error 0.13% (assumed with 15pb−1, 45k evt)
→ 110 MeV
Tevatron 115k evts, syst 34 MeV

03 Apr 2009

Standard Model (実験)26