[論文レビュー] The beam-gas method for luminosity measurement at LHCb

P. Hopchev|arXiv (Cornell University)|May 24, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、LHCbにおける絶対的ビーム強度測定のためのビーム・ガス法を提示する。この手法は、VELO検出器を用いてビーム・ガス相互作用の頂点を再構築することで、ビームの位置、幅、交差角といったビームパラメータを特定する。2009年のデータにおいて、この手法はビーム強度の相対精度15%を達成し、LHCにおける今後の高精度ビーム強度校正の可能性を示した。

ABSTRACT

The high resolution of the LHCb vertex detector makes it possible to perform precise measurements of the vertex positions of beam-gas and beam-beam interactions. With these measurements beam parameters such as width and position can be measured. A novel method for determining the absolute luminosity at the LHC using the directly measured beam parameters is presented. The data taken in 2009 is used to illustrate the procedure.

研究の動機と目的

• ビーム・ガス相互作用を用いたLHCbにおける新しい絶対的ビーム強度測定手法の開発。
• VELO検出器の高分解能頂点再構築を活用し、ビームの位置、幅、交差角といったビームパラメータを測定すること。
• ビーム重ね合わせと強度を直接測定することで、ビーム強度決定における系統的不確実性を低減すること。
• ビーム・ガスデータから導かれる一次的なビーム強度基準を用いて、基準断面積およびビーム強度カウンタを校正すること。

提案手法

• ビーム・ガス相互作用の頂点位置を、ビームパイプに近接し空間分解能の高いLHCb VELO検出器を用いて再構築する。
• ビーム・ガス頂点の空間分布（x-z面およびy-z面）からビームパラメータ（幅、位置、傾き、交差角）を測定する。
• 式(1)に示されるビーム重ね合わせ積分を用い、測定されたビーム密度およびトレイン強度を組み合わせてビーム強度を計算する。
• 測定されたビームサイズに対して頂点分解能の影響を補正するためのデコンボリューション技術を適用し、ビームプロファイルの決定精度を向上させる。
• 加速器計器によるビーム強度測定と再構築されたビーム幾何学的形状を組み合わせて、絶対的ビーム強度を計算する。
• 2009年のLHCデータを用いて手法を検証し、ビーム状態が不安定でVELOが部分的に引き出されていた状況下でも系統的不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VELO検出器におけるビーム・ガス頂点再構築は、LHCbにおけるビーム強度決定に不可欠なビームパラメータを信頼性高く正確に測定できるか？
• RQ2 2009年のデータを用いたビーム・ガス法による絶対的ビーム強度測定の達成可能な精度はどの程度か？
• RQ3 頂点分解能および検出器幾何学的形状は、ビーム・ガス法におけるビームサイズおよび重ね合わせ積分の測定精度にどのように影響するか？
• RQ4 標準模型過程が利用できない状況下で、ビーム・ガス相互作用をどれほど効果的にビーム強度カウンタおよび基準断面積の校正に利用できるか？
• RQ5 ビーム調整（例：ミニスキャン）の影響により、予測されたと測定された発光領域の形状および位置の一致度はどの程度変化するか？

主な発見

• ビーム・ガス法は2009年のデータにおいて、絶対的ビーム強度の相対精度15%を達成した。そのうち約10%はビーム重ね合わせ測定の寄与、約15%はビーム強度の不確実性によるものであった。
• ビーム・ガス頂点再構築により、ビームの傾き、幅、交差角を測定可能であり、LHCbのドライヴ・マグネットに起因する予想される値と一致するx-z面における観測された交差角が得られた。
• VELOの頂点分解能は、特に2009年に検出器が部分的に引き出されていたことによりx方向で顕著な影響を及ぼしたが、小さなが無視できない影響を及ぼした。
• 測定されたビームサイズから頂点分解能をデコンボリューション処理することで、ビームプロファイル再構築の精度が向上し、補正後のビームサイズは図4の黄色で示されている。
• 2009年の部分的引き出し状態という最適でない条件下でも、この手法はビーム強度校正の可能性を示した。
• 今後、ビーム強度測定の精度向上と2010年のデータ量増加により、ビーム強度決定の精度が著しく向上すると予想される。