[논문 리뷰] Studies of the muon momentum calibration and performance of the ATLAS detector with $pp$ collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2918명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 139 fb⁻¹를 사용하여 ATLAS 검출기에서 뮤온 운동량에 대한 새로운 데이터 기반 교정 방법을 제시한다. 전하에 의존하는 운동량 편향을 보정하기 위해 Z→μ⁺μ⁻ 공명을 활용하고, J/ψ→μ⁺μ⁻ 및 Z→μ⁺μ⁻ 붕괴를 통해 시뮬레이션을 실제 데이터와 일치시키기 위해 교정한다. 이로 인해 Z 피크에서 운동량 스케일 불확도는 0.05%로, J/ψ 피크에서는 0.1%로 도달하였으며, 해상도 불확도는 각각 1.5% 및 2%이다.

ABSTRACT

This paper presents the muon momentum calibration and performance studies for the ATLAS detector based on the $pp$ collisions data sample produced at $\sqrt{s}$=13 TeV at the LHC during Run 2 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. An innovative approach is used to correct for potential charge-dependent momentum biases related to the knowledge of the detector geometry, using the $Z ightarrow μ^{+}μ^{-}$ resonance. The muon momentum scale and resolution are measured using samples of $J/ψ ightarrow μ^{+}μ^{-}$ and $Z ightarrow μ^{+}μ^{-}$ events. A calibration procedure is defined and applied to simulated data to match the performance measured in real data. The calibration is validated using an independent sample of $Υ ightarrow μ^{+}μ^{-}$ events. At the $Z$ ($J/ψ$) peak, the momentum scale is measured with an uncertainty at the 0.05% (0.1%) level, and the resolution is measured with an uncertainty at the 1.5% (2%) level. The charge-dependent bias is removed with a dedicated {\em in situ} correction for momenta up to 450 GeV with a precision better than 0.03 TeV$^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 검출기 기하학 지식으로 인해 발생하는 뮤온 재구성에서 전하에 의존하는 운동량 편향을 해결하기 위해.
• Z→μ⁺μ⁻, J/ψ→μ⁺μ⁻ 및 Υ→μ⁺μ⁻ 붕괴로부터의 실제 충돌 데이터를 사용하여 뮤온 운동량 스케일과 해상도를 교정하기 위해.
• 시뮬레이션과 실제 데이터 간의 성능 일치를 향상시키기 위한 시뮬레이션 교정 절차를 개발하기 위해.
• 교정을 독립적인 데이터 샘플과 교정에 사용된 것보다 더 세분화된 운동량 영역에서 검증하기 위해.

제안 방법

• 검출기 기하학적 불확실성으로 인한 전하에 의존하는 운동량 편향을 측정하고 보정하기 위해 Z→μ⁺μ⁻ 사건을 사용한다.
• 실제 데이터에서 운동량 스케일과 해상도를 측정하기 위해 J/ψ→μ⁺μ⁻ 및 Z→μ⁺μ⁻ 붕괴를 활용한다.
• 시뮬레이션된 사건에 특화된 교정을 적용하여 시뮬레이션된 뮤온 성능을 실제 데이터와 일치시킨다.
• 내부 검출기와 뮤온 스펙트로미터(이하 ID+MS)의 조합 트랙 교정을 도입하여 운동량 해상도를 향상시킨다.
• 스케일과 해상도 추출의 정밀도를 향상시키기 위해 수렴성이 향상된 대안적 피팅 방법을 사용한다.
• 교정을 독립적인 Υ→μ⁺μ⁻ 샘플과 교정에 사용된 것보다 더 세분화된 의사속도도 범위에서 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 검출기 기하학적 불확실성으로 인한 뮤온 운동량 재구성에서 전하에 의존하는 운동량 편향의 크기와 원인은 무엇인가?
• RQ2 실제 데이터에서 Z→μ⁺μ⁻ 및 J/ψ→μ⁺μ⁻ 붕괴를 사용하여 뮤온 운동량 스케일과 해상도를 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ3 시뮬레이션을 얼마나 잘 교정하여 실제 데이터에서 측정된 운동량 스케일과 해상도를 재현할 수 있는가?
• RQ4 새로운 ID+MS 조합 트랙 교정은 개별 부검출기 교정 대비 운동량 해상도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 교정 절차가 독립적인 Υ→μ⁺μ⁻ 데이터와 더 세분화된 운동량 영역에서 검증되었을 때도 정확성을 유지하는가?

주요 결과

• Z 피크에서 운동량 스케일은 0.05%의 불확도로 측정되었고, J/ψ 피크에서는 0.1%였다.
• Z 피크에서 운동량 해상도는 1.5%의 불확도로 측정되었고, J/ψ 피크에서는 2%였다.
• 450 GeV 이하의 운동량까지 전하에 의존하는 운동량 편향이 0.03 TeV⁻¹ 이내의 정밀도로 보정되었다.
• ID+MS 방법에서 스메어링 불확도는 감소했지만, CB 방법 대비 스케일 불확도는 증가했다.
• 보정된 시뮬레이션은 Υ→μ⁺μ⁻, J/ψ→μ⁺μ⁻ 및 Z→μ⁺μ⁻ 붕괴 전반에 걸쳐 이중 뮤온 질량 스케일과 해상도에서 실제 데이터와 뛰어난 일치를 보였다.
• 독립적인 Υ→μ⁺μ⁻ 샘플을 통한 검증을 통해 교정이 다양한 운동량 영역에서 안정성을 유지하는 것으로 확인되었다.