[論文レビュー] Measurement of the Charge Ratio of Cosmic Muons using CMS Data

M. Aldaya, P. Garcı́a-Abia|ArXiv.org|Oct 20, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、LHC起動前のCMS検出器データを用い、MTCC（Magnet Test and Cosmic Challenge）期間中に得られた宇宙線ミューオンの電荷比を測定した。ドリフトチューブ・チェンバーを用いてミューオンの軌跡を再構築し、検出器の非対称性を補正した。解析の結果、運動量に依存しない電荷比 ⟨R_CMS⟩ = 1.282 ± 0.004（統計誤差）± 0.007（系誤差）が得られ、過去の測定結果と整合しており、大気中での生成ダイナミクスに起因する正のミューオンのわずかな過剰を示している。

ABSTRACT

We have performed the measurement of the cosmic ray muon charge ratio, as a function of the muon momentum, using data collected by the CMS experiment, exploiting the capabilities of the muon barrel drift tube (DT) chambers. The cosmic muon charge ratio is defined as the ratio of the number of positive- to negative-charge muons. Cosmic ray muons result from the interaction of high-energy cosmic-ray particles (mainly protons and nuclei), entering the upper layers of the atmosphere, with air nuclei. Since these collisions favour positive meson production, there is an asymmetry in the charge composition and more positive muons are expected. The data samples were collected at the extit{Magnet Test and Cosmic Challenge} (MTCC). While the MTCC itself was a crucial milestone in the CMS detector construction, not having physics studies among its primary goals, it provided the first opportunity to obtain physics results and test the full analysis chain using real data in CMS before the LHC startup, together with a complementary check of the detector performance.

研究の動機と目的

• LHC起動前のCMS実験から得られた実データを用いて、ミューオンの運動量関数としての宇宙線ミューオン電荷比を測定すること。
• MTCCフェーズ中の宇宙線ミューオンを用いて、検出器の性能を評価し、全解析チェーンの妥当性を検証すること。
• 正の電荷と負の電荷の間でのミューオン再構築およびトリガー効率における幾何的および磁場由来の非対称性を補正すること。
• 測定された電荷比を過去の実験的結果および理論的予測と比較すること。
• 測定プロセスにおける電荷の混同、アライメント、キャリブレーションに起因する系統的不確実性を定量化すること。

提案手法

• 4 Tの磁場下でMTCCフェーズ中に収集された宇宙線ミューオンデータを用い、YB+1およびYB+2セクタのミューオン・バレル・ドリフトチューブ（DT）チェンバーのみを対象とした。
• 宇宙線ミューオンの到着時刻がランダムであることを考慮し、カスタムキャリブレーション定数を用いたスタンドアロンミューオン再構築を適用した。
• サーベイデータに基づくアライメント補正を実装し、空間分解能を向上させ、再構築バイアスを低減した。
• セクタ10に左対称のフィducial幾何を定義し、μ⁺とμ⁻の間の受容率非対称性を最小限に抑えた。
• 高品質かつバイアスのないサンプルを保証するため、少なくとも3つのDTステーション（トリプレット／クアドラプル）を要件とした。
• 再構築効率、電荷の混同、系統的補正の妥当性を検証するため、0 Tおよび4 Tでのシミュレーテッドデータを用いたクロスチェックを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MTCCフェーズ中にCMS検出器が測定した宇宙線ミューオンの運動量依存的電荷比は何か？
• RQ2 磁場効果および検出器の幾何的形状が、正のミューオンと負のミューオンの相対的検出効率にどのように影響を与えるか？
• RQ3 測定された電荷比は、電荷の混同、アライメント誤差、またはキャリブレーションの不正確さのどの程度に影響を受けるか？
• RQ4 CMSの測定結果は、過去の実験的結果と比較して、精度および一貫性の面でどの程度一致するか？
• RQ5 電荷比は測定範囲内でミューオンの運動量に依存しないか。その統合値は何か？

主な発見

• 測定されたミューオン電荷比は、測定範囲内で運動量に依存しないことが確認され、顕著な変化は観測されなかった。
• 運動量スペクトル全体の統合電荷比は ⟨R_CMS⟩ = 1.282 ± 0.004（統計誤差）± 0.007（系誤差）であり、正のミューオンが28.2%過剰であることを示している。
• 個々の走行における統計誤差は小さく、揺らぎと整合しており、良好なデータ安定性を示している。
• 系統的誤差は主に電荷の混同とアライメント補正に起因し、運動量ビン全体で0.6%未満の寄与であった。
• 測定された電荷比は、他の実験からの過去の測定結果とよく一致しており、実験的不確実性の範囲内で一貫性があることが確認された。
• フィducial幾何および選択基準は、μ⁺とμ⁻間の受容率およびトリガー効率の非対称性を効果的に抑制した。