[논문 리뷰] Electron and photon energy calibration with the ATLAS detector using LHC Run 2 data

G. Aad, B. Abbott외 2993명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 32인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 2 동안 √s = 13 TeV에서 확보한 140 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 ATLAS 검출기에서 전자 및 광자의 에너지 보정을 매우 정밀하게 수행한다. 변수 크기의 슈퍼클러스터를 사용한 개선된 재구성, 뮤온 기반 프리샘플러 보정, 고감도 및 중간 감도 전자기기 간의 상호보정을 도입하여 Z→ee 붕괴에서 0.05%의 불확도, 60 GeV에서 광자 붕괴에서 0.2%의 불확도를 달성하였으며, 이는 이전 정밀도의 2배 이상 향상된 결과이다.

ABSTRACT

This paper presents the electron and photon energycalibration obtained with the ATLAS detector using 140 fb$^{-1}$ ofLHC proton-proton collision data recorded at √(s) = 13 TeVbetween 2015 and 2018. Methods for the measurement of electron andphoton energies are outlined, along with the current knowledge ofthe passive material in front of the ATLAS electromagneticcalorimeter. The energy calibration steps are discussed in detail,with emphasis on the improvements introduced in this paper. Theabsolute energy scale is set using a large sample of Z-bosondecays into electron-positron pairs, and its residual dependence onthe electron energy is used for the first time to further constrainsystematic uncertainties. The achieved calibration uncertainties aretypically 0.05% for electrons from resonant Z-boson decays, 0.4%at E$_{T}$ ∼ 10 GeV, and 0.3% at E$_{T}$ ∼ 1 TeV; for photons at E$_{T}$ ∼ 60 GeV, they are 0.2% on average. This is morethan twice as precise as the previous calibration. The new energycalibration is validated using J/ψ → ee and radiativeZ-boson decays.

연구 동기 및 목표

• LHC 런 2 데이터를 활용하여 ATLAS 검출기에서 전자 및 광자의 에너지 보정 정밀도를 향상시키기.
• 개선된 재구성 및 보정 기법을 통해 에너지 스케일 결정의 체계적 불확도를 감소시키기.
• J/ψ→ee 및 Z→ℓℓγ와 같은 독립적인 붕괴 샘플을 사용하여 신규 보정의 타당성을 검증하기.
• 칼로리메터 반응의 에너지 선형성 정밀 측정을 통해 보정 불확도를 제약하기.

제안 방법

• LHC 런 2 기간 동안 확보한 √s = 13 TeV에서의 140 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용한다.
• 에너지 해상도 향상을 위해 고정 크기 클러스터 대신 변수 크기 슈퍼클러스터를 사용하여 전자 및 광자 재구성을 수행한다.
• 체계적 편향을 줄이기 위해 전자/광자 기반 방법 대신 뮤온 기반 보정을 프리샘플러에 적용한다.
• 전자 및 뮤온 데이터를 병합하여 전자기 칼로리메터 층 간의 상호보정을 수행하여 반응 균일성을 향상시킨다.
• Z→ee 붕괴를 통해 절대 에너지 스케일을 설정하고 잔여 에너지 의존성을 제약하여 체계적 불확도를 감소시킨다.
• 독립적인 샘플인 J/ψ→ee 및 방사성 Z→ℓℓγ 붕괴를 사용하여 보정을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 런 2 데이터를 사용할 때 ATLAS에서 전자 및 광자의 에너지 보정이 달성할 수 있는 정밀도는 무엇인가?
• RQ2 재구성 개선(슈퍼클러스터) 및 보정 개선(뮤온 기반 프리샘플러)이 체계적 불확도를 어떻게 감소시키는가?
• RQ3 반응의 에너지 선형성 측정이 보정 불확도를 얼마나 더 제약하는가?
• RQ4 J/ψ→ee 및 Z→ℓℓγ와 같은 독립적인 붕괴 샘플에서 신규 보정이 얼마나 잘 성능을 발휘하는가?
• RQ5 업데이트된 비활성 물질 모델링 및 ADC 비선형 보정이 에너지 반응 균일성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Z→ee 붕괴에서 전자 에너지 보정 정밀도는 0.05%에 도달하여 이전 결과보다 2배 이상 향상되었다.
• 10 GeV의 횡방향 에너지에서 보정 불확도는 0.4%이며, 1 TeV에서는 0.3%이다.
• 60 GeV에서 광자에 대한 평균 보정 불확도는 0.2%로 이전 정밀도보다 크게 향상되었다.
• 칼로리메터 반응의 에너지 선형성 측정을 통합함으로써 체계적 불확도가 감소하였다.
• J/ψ→ee 붕괴를 통한 검증 결과 에너지 스펙트럼 전반에서 일관성이 0.05% 이내로 확인되었다.
• 방사성 Z→ℓℓγ 붕괴를 통한 검증 결과 60 GeV에서 광자 보정이 0.2% 이내로 일치함을 보였다.