[論文レビュー] Performance of the CMS High Granularity Calorimeter prototype to charged pion beams of 20$-$300 GeV/c

CMS Collaboration, CALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、20〜300 GeV/cのエネルギーを持つ荷電パイオンビームを用いて、CMS高粒度コリメーター（HGC）プロトタイプの性能を評価している。GEANT4シミュレーションにおいて、QGSP_FTFP_BERT_EMNおよびFTFP_BERT_EMNの物理リストを用いることで、キャリブレーション後のエネルギー応答、非線形性、シャワー分布が正確に再現されることを示している。CE-Eでシャワーを形成するパイオンに対しては、統計的項が131.7±1.0%、MIPに類似したパイオンに対しては122.1±1.4%を達成した。

ABSTRACT

The upgrade of the CMS experiment for the high luminosity operation of the LHC comprises the replacement of the current endcap calorimeter by a high granularity sampling calorimeter (HGCAL). The electromagnetic section of the HGCAL is based on silicon sensors interspersed between lead and copper (or copper tungsten) absorbers. The hadronic section uses layers of stainless steel as an absorbing medium and silicon sensors as an active medium in the regions of high radiation exposure, and scintillator tiles directly readout by silicon photomultipliers in the remaining regions. As part of the development of the detector and its readout electronic components, a section of a silicon-based HGCAL prototype detector along with a section of the CALICE AHCAL prototype was exposed to muons, electrons and charged pions in beam test experiments at the H2 beamline at the CERN SPS in October 2018. The AHCAL uses the same technology as foreseen for the HGCAL but with much finer longitudinal segmentation. The performance of the calorimeters in terms of energy response and resolution, longitudinal and transverse shower profiles is studied using negatively charged pions, and is compared to GEANT4 predictions. This is the first report summarizing results of hadronic showers measured by the HGCAL prototype using beam test data.

研究の動機と目的

• 広いエネルギー範囲にわたる荷電パイオンビームを用いて、CMS高粒度コリメーター・プロトタイプのエネルギー分解能と応答線形性を評価すること。
• 50 GeVの陽電子とパイオンをそれぞれ用いて、プロトタイプの電磁的およびハドロン的領域のエネルギースケールを統一的に設定するためのキャリブレーションを行うこと。
• GEANT4シミュレーションの正確性を、2種類の物理リスト（QGSP_FTFP_BERT_EMNおよびFTFP_BERT_EMN）を用いて、ハドロンシャワー応答の再現性を検証すること。
• χ²最小化を用いてビームエネルギーを基準にしたエネルギー依存性キャリブレーション重みを導出し、異なるコリメーター部屋での非線形応答を補正するための方法を開発・検証すること。
• 測定データとシミュレーションとの間で、縦方向および横方向のシャワー分布を詳細に比較し、デジタイゼーションおよび電子回路モデルの改良を要する乖離を同定すること。

提案手法

• 20–300 GeV/cの範囲をカバーする荷電パイオンビームをHGCプロトタイプに照射し、エネルギー損失およびシャワー発展を測定した。
• 50 GeVの陽電子イベントを用いて電磁的エネルギースケールを固定し、50 GeVのパイオンイベントを用いてハドロン的スケールを固定した。
• ビームエネルギーを基準に、χ²最小化を用いて得られたエネルギー依存性キャリブレーション重みを適用し、非線形応答を補正した。
• 2種類のGEANT4物理リスト（QGSP_FTFP_BERT_EMNおよびFTFP_BERT_EMN）を用いてハドロンシャワー発展をシミュレートし、データと比較した。
• 空間的分布およびエネルギー損失パターンを用いて、ハドロンシャワーの開始点を特定するアルゴリズムを実装した。
• CE-E、CE-HおよびAHCAL部屋におけるデータとシミュレーションの横方向および縦方向シャワー分布を詳細に比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QGSP_FTFP_BERT_EMNおよびFTFP_BERT_EMNの物理リストを用いたGEANT4シミュレーションは、パイオンビームに対するHGCプロトタイプのエネルギー応答をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 異なるコリメーター部屋における非線形エネルギー応答を補正する最適なキャリブレーション戦略は何か？
• RQ3 シミュレーションは、測定データで観測された縦方向および横方向シャワー分布をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 粒子の軌跡付近のエネルギー損失において、測定値とシミュレーションとの間に存在する乖離は何か？ これによりシミュレーションの正確性にどのような示唆が得られるか？
• RQ5 ビームエネルギーを基準にしたエネルギー依存性キャリブレーション重みを用いることで、固定重み法に比べて分解能が向上するか？

主な発見

• CE-Eで相互作用しないパイオンのシミュレートエネルギー応答は、データよりも9.5%高い。CE-Eでシャワーを開始するパイオンでは、5%高い。
• エネルギースケールの差を補正した後、応答の非線形性はシミュレーションでよく再現されている。
• CE-Eでシャワーを形成するパイオンの統計的項は、測定で131.7±1.0%、MIPに類似したパイオンでは122.1±1.4%であった。
• データにおける定数項は、シャワーを形成するパイオンで8.5±0.1、MIPに類似したパイオンで9.0±0.2であった。
• 両方の物理リストとも、測定値と比較して10%以内の誤差で統計的および定数項を予測している。
• ビームエネルギーを基準にしたエネルギー依存性キャリブレーション重みを用いることで、固定重み法に比べて分解能が同等またはわずかに向上した。