[論文レビュー] Performance of Particle Identification with the ATLAS Transition Radiation Tracker

E. Hines|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Particle Detector Development and Performance被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、2010年および2011年の7 TeVプロトン-プロトン衝突データを用いて、ATLAS遷移放射線トラックャ（TRT）の粒子識別（PID）性能を評価する。遷移放射線検出とタイムオーバー・スレッショルド（ToT）測定を組み合わせることで、TRTは90%の電子効率で1–2%のパイオン誤識別確率を達成し、特に10 GeV未満の運動量領域で顕著な効果を示す。

ABSTRACT

The ATLAS Transition Radiation Tracker (TRT) is the outermost of the three sub-systems of the ATLAS Inner Detector at the Large Hadron Collider at CERN. In addition to its tracking capabilities, the TRT provides particle identification (PID) ability through the detection of transition radiation X-ray photons. The latter functionality provides substantial discriminating power between electrons and hadrons in the momentum range from 1 to 200 GeV. In addition, the measurement of an enhancement of signal time length, which is related to high specific energy deposition (dE/dx), can be used to identify highly ionizing particles, increasing the electron identification capabilities at low momentum and improving the sensitivity of searches for new physics. This talk presents the commissioning of TRT PID during early 2010 7 TeV data taking. Performance in 2010 and 2011 demonstrating the TRT's ability to identify electrons, complementary to calorimeter based identification methods, will also be shown.

研究の動機と目的

• 遷移放射線とタイムオーバー・スレッショルド（ToT）測定を用いたATLAS遷移放射線トラックャ（TRT）の電子識別性能を評価すること。
• 特に低運動量領域（p < 10 GeV）において、高スレッショルド（HT）とToTに基づく識別法を組み合わせた有効性を評価すること。
• 初期LHCデータにおけるTRTのPID能力を検証し、さまざまな運用条件下でも安定で頑健であることを確認すること。
• カルシウムベースの手法とは補完的役割を果たすことで、Wボソンおよび超対称性探索を含む高優先度の物理学解析を支援すること。

提案手法

• TRTは、Xe/CO2/O2ガスで満たされた298,304本のストロングドリフトチューブを用い、相対論的荷電粒子からの電離と遷移放射線（TR）光子を検出する。
• 遷移放射線は、粒子のローレンツ因子に敏感な高スレッショルド（HT）信号によって検出され、1–200 GeVのエネルギー範囲で電子とパイオンの識別に寄与する。
• タイムオーバー・スレッショルド（ToT）測定は、特定エネルギー損失（dE/dx）の推定に用いられ、TR信号が弱い低運動量領域（p < 10 GeV）での電子識別を強化する。
• 正確なdE/dx推定を保証するため、トラックからワイヤまでの距離、z/R依存性、信号減衰および伝播効果に対する系統的補正が施されている。
• 独立したHTおよびToTの尤度関数を組み合わせた統合尤度関数を作成し、90%の電子効率で選別カットを適用することで、電子識別を最適化する。
• 性能のキャリブレーションと検証には、ハードウェアスレッショルドを変更した専用データ走行が用いられ、最適なスレッショルド設定と安定した運用が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1–200 GeVの運動量範囲において、TRTは遷移放射線を用いて電子とパイオンをどれほど効果的に区別できるか？
• RQ2 低運動量領域（p < 10 GeV）におけるToTに基づくdE/dx測定は、電子識別にどの程度効果をもたらすか？
• RQ3 HTとToT測定を併用することで、単独で用いる場合と比較して、電子-パイオン分離性能はどの程度向上するか？
• RQ4 電子識別効率を90%に固定した場合のパイオン誤識別確率（pπ→e）はどの程度で、検出器の幾何構造に応じてどのように変化するか？
• RQ5 さまざまな運用条件下でもTRTのPID性能はどの程度安定しており、頑健であるか？また、ハードウェアスレッショルドは最適に近いか？

主な発見

• 90%の電子効率で、TRTは検出器の大部分で約5%（拒否要因20）のパイオン誤識別確率（pπ→e）を達成する。
• 検出器内で最も性能が優れた領域では、パイオン誤識別確率が1–2%まで低下し、電子識別性能が顕著に向上する。
• ToTに基づく手法により、TR信号が弱いため効果が薄い低運動量領域（p < 10 GeV）での電子識別効率が向上し、dE/dxへの感受性が高まる。
• HTとToT測定の併用により、単独で用いる場合と比較して、特に低運動量領域で優れた電子-パイオン分離性能が得られる。
• トラックからワイヤまでの距離、信号伝播、減衰に対する系統的補正により、ToTの精度が向上し、dE/dx推定におけるバイアスが低減される。
• 専用データ走行により、ハードウェアスレッショルドが最適に近いことが確認され、多様な運用条件下でも安定した性能を維持するための微調整のみが要請された。