[論文レビュー] Electron and photon energy calibration with the ATLAS detector using LHC Run 2 data

G. Aad, B. Abbott+2993 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCラン2の140 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの条件下でATLAS検出器の電子および光子エネルギー校正を非常に高精度で実現した。可変サイズのスーパークラスタを用いた改善された再構築、ミュオンを用いたプリサンプラー校正、および高利得および中利得電子回路のインターリケーティングを導入し、Z→ee崩壊では0.05%、60 GeVの光子では0.2%の不確かさを達成した。これは以前の精度を2倍以上に上回る。

ABSTRACT

This paper presents the electron and photon energycalibration obtained with the ATLAS detector using 140 fb$^{-1}$ ofLHC proton-proton collision data recorded at √(s) = 13 TeVbetween 2015 and 2018. Methods for the measurement of electron andphoton energies are outlined, along with the current knowledge ofthe passive material in front of the ATLAS electromagneticcalorimeter. The energy calibration steps are discussed in detail,with emphasis on the improvements introduced in this paper. Theabsolute energy scale is set using a large sample of Z-bosondecays into electron-positron pairs, and its residual dependence onthe electron energy is used for the first time to further constrainsystematic uncertainties. The achieved calibration uncertainties aretypically 0.05% for electrons from resonant Z-boson decays, 0.4%at E$_{T}$ ∼ 10 GeV, and 0.3% at E$_{T}$ ∼ 1 TeV; for photons at E$_{T}$ ∼ 60 GeV, they are 0.2% on average. This is morethan twice as precise as the previous calibration. The new energycalibration is validated using J/ψ → ee and radiativeZ-boson decays.

研究の動機と目的

• LHCラン2のデータを用いて、ATLAS検出器における電子および光子エネルギー校正の精度を向上させること。
• 洗練された再構築および校正技術を用いて、エネルギースケール決定における系統的不確実性を低減すること。
• J/ψ→eeやZ→ℓℓγなどの独立した崩壊サンプルを用いて、新しい校正を検証すること。
• カリブレーションの不確実性を制限するために、コアライザー応答のエネルギー線形性の精密測定を実施すること。

提案手法

• LHCラン2中に取得された√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データ140 fb⁻¹を用いる。
• エネルギー分解能の向上を目的に、固定サイズのクラスタの代わりに可変サイズのスーパークラスタを用いた電子および光子再構築を実施する。
• 電子／光子に基づく方法に代えて、ミュオンを用いたプリサンプラー校正を適用し、系統的バイアスを低減する。
• 電子およびミュオンデータを統合して使用することで、電磁気コアライザー層間のインターリケーティングを実施し、応答の一様性を向上させる。
• Z→ee崩壊を用いて絶対エネルギースケールを設定し、残存するエネルギー依存性を制約することで系統的不確実性を低減する。
• 独立したサンプル（J/ψ→eeおよび放射性Z→ℓℓγ崩壊）を用いて校正を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラン2データを用いたATLASにおける電子および光子エネルギー校正の達成可能な精度はどの程度か？
• RQ2 スーパークラスタを用いた再構築の改善およびミュオンを用いたプリサンプラー校正の導入が、系統的不確実性をどの程度低減するか？
• RQ3 応答のエネルギー線形性の測定が、校正不確実性をどの程度さらに制限するか？
• RQ4 J/ψ→eeやZ→ℓℓγのような独立した崩壊サンプルを用いた検証において、新しい校正はどの程度の性能を示すか？
• RQ5 更新された被動材料モデリングおよびADC非線形性補正が、エネルギー応答の一様性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• Z→ee崩壊における電子エネルギー校正の精度は0.05%に達し、これは以前の結果よりも2倍以上も向上した。
• 10 GeVの横方向エネルギーでは校正不確実性が0.4%、1 TeVでは0.3%である。
• 60 GeVの光子では、平均的な校正不確実性が0.2%にまで低下し、以前の精度を著しく上回った。
• 新しい校正は、コアライザー応答のエネルギー線形性の測定を組み込むことで、系統的不確実性を低減した。
• J/ψ→ee崩壊を用いた検証により、エネルギースケール全体にわたり0.05%以内の整合性が確認された。
• 放射性Z→ℓℓγ崩壊による検証では、60 GeVで0.2%以内の一致が得られ、光子校正の妥当性が裏付けられた。