[논문 리뷰] Calibration and performance of the LHCb calorimeters in Run 1 and 2 at the LHC

Abellan Betata, A. Alfonso Albero외 85명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 1 및 2 동안 LHCb 칼로미터의 종합적인 캘리브레이션 및 성능 평가를 제시하며, SPD, PS, ECAL, HCAL에 대한 에너지 스케일 캘리브레이션, 반응 모니터링, 노후화 보정을 상세히 기술한다. 칼로미터는 증가하는 빔 에너지 동안 높은 성능을 유지하여 광자, π⁰ 메손, 전자의 정밀 재구성 가능했으며, 주요 결과로는 Bs⁰ → J/ψ η′/η 분해율 비율의 정밀 측정값 0.90 ± 0.09 (통계) ± 0.06 (시스템)을 포함한다.

ABSTRACT

The calibration and performance of the LHCb Calorimeter system in Run 1 and 2 at the LHC are described. After a brief description of the sub-detectors and of their role in the trigger, the calibration methods used for each part of the system are reviewed. The changes which occurred with the increase of beam energy in Run 2 are explained. The performances of the calorimetry for $γ$ and $π^0$ are detailed. A few results from collisions recorded at $\sqrt {s}$ = 7, 8 and 13 TeV are shown.

연구 동기 및 목표

• 런 1 및 런 2 기간 동안 LHCb 칼로미터 부속 검출기(SPD, PS, ECAL, HCAL)의 캘리브레이션 절차 수립 및 개선.
• 런 2에서 빔 에너지가 증가함에 따라 발생하는 과제, 특히 에너지 스케일 안정성 및 검출기 반응에 대응.
• 칼로미터 데이터를 이용한 중성 입자(γ, π⁰) 및 전자의 고정밀 재구성 보장.
• 런 2에서의 검출기 노후화 및 증가된 피어리업에도 불구하고 일관된 성능 및 캘리브레이션 정확도 유지.
• 실시간 이벤트 선택을 위한 보조 트리거(L0 트리거 및 고수준 트리거)를 지원하기 위해 실시간 에너지 및 타이밍 정보 제공.

제안 방법

• 우주선 데이터 및 MIP(최소 이온화 입자) 샘플을 이용한 SPD 및 PS의 캘리브레이션을 통해 기준 반응 및 효율 측정.
• 방사성 원소(예: ⁶⁰Co)를 이용한 ECAL의 에너지 스케일 캘리브레이션 및 알려진 입자 붕괴(예: J/ψ → μ⁺μ⁻)와 피어리업 보정을 통한 현장 캘리브레이션.
• ¹³⁷Cs 원소 측정 및 PMT 감도 모니터링을 통한 HCAL 캘리브레이션을 통해 에너지 해상도 및 선형성 유지.
• 장기적인 광량 및 감도 변화 모니터링을 통한 ECAL 및 HCAL의 노후화 보정 적용.
• B-메손 붕괴(예: Bs⁰ → J/ψ η, η′)의 고통계 샘플을 이용한 오프라인 캘리브레이션 기법을 통해 에너지 스케일 및 해상도의 검증 및 개선.
• 런 2에서 HLT(High-Level Trigger)에 칼로미터 데이터 통합을 통해 실시간 선택 시 오프라인 수준의 PID 변수 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb 칼로미터의 에너지 스케일은 런 1 및 런 2 기간 동안 어떻게 캘리브레이션되었고 유지되었는가?
• RQ2 √s = 7–8 TeV(런 1)에서 13 TeV(런 2)로 빔 에너지가 증가함에 따라 캘리브레이션 절차에 어떤 변화가 있었는가?
• RQ3 검출기 노후화 및 피어리업은 ECAL 및 HCAL의 성능에 어떤 영향을 미쳤으며, 이러한 영향은 어떻게 보정되었는가?
• RQ4 특히 융합된 또는 변환된 광자 구성에서 광자, π⁰ 메손, 전자의 재구성 성능은 어떠한가?
• RQ5 런 2에서 HLT에 칼로미터 정보를 통합함으로써 트리거 수준 선택의 효율성과 순도는 어떻게 향상되었는가?

주요 결과

• LHCb 칼로미터는 런 1 및 런 2 기간 동안 안정된 성능 유지를 유지하였으며, 성공적인 캘리브레이션 및 노후화 보정을 통해 일관된 에너지 해상도 및 반응 유지.
• ECAL의 에너지 해상도는 1 GeV 광자에서 약 1.5%로 측정되었으며, 비선형성 및 피어리업 영향에 대한 보정 적용.
• Bs⁰ → J/ψ η′ 및 Bs⁰ → J/ψ η 붕괴의 분해율 비율 측정값은 0.90 ± 0.09 (통계) ± 0.06 (시스템)으로 이전 벨레 결과와 일치하지만 정밀도 향상.
• 우주선 및 MIP 샘플을 이용한 SPD 및 PS의 성공적인 캘리브레이션으로 모든 영역에서 동적 범위 및 해상도 유지.
• ¹³⁷Cs 원소 측정 및 PMT 감도 모니터링을 통한 HCAL 캘리브레이션으로 장기간 운영 후에도 안정된 반응 및 에너지 해상도 유지.
• 런 2에서 칼로미터 및 RICH 정보를 HLT에 통합함으로써 보다 순도 높은 캘리브레이션 샘플 확보 및 광자 및 π⁰ 메손을 포함한 희귀 붕괴의 트리거 효율 향상.