[論文レビュー] Calibration and performance of the LHCb calorimeters in Run 1 and 2 at the LHC

Abellan Betata, A. Alfonso Albero+85 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、LHCのRun 1およびRun 2期におけるLHCbカルシウム・コリメータの包括的なキャリブレーションと性能評価を提示しており、SPD、PS、ECAL、HCALのエネルギー スケールキャリブレーション、応答モニタリング、老化補正を詳細に記述している。エネルギー スケールの安定性と高精度な性能が維持された結果、光子、π⁰メソン、電子の再構成が高精度で可能となり、特にBs⁰ → J/ψ η′/η分岐比の測定が0.90 ± 0.09（統計）± 0.06（系誤差）と高い精度で得られた。

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.

研究の動機と目的

• Run 1およびRun 2の間でLHCbカルシウム・コリメータのサブディテクタ（SPD、PS、ECAL、HCAL）のキャリブレーション手順を確立および最適化すること。
• Run 2におけるビームエネルギーの増加に伴って生じる課題、特にエネルギー スケールの安定性とデバイス応答の変化に適応すること。
• カルシウム・コリメータのデータを用いた中性粒子（γ、π⁰）および電子の高精度再構成を確保すること。
• Run 2におけるデバイスの老化および増加したパイルアップに対しても、性能とキャリブレーション精度の一貫性を維持すること。
• リアルタイムのイベント選別を可能にするために、L0トリガおよびハイレベルトリガ（HLT）に校正済みエネルギーおよび時間情報の供給を支援すること。

提案手法

• 宇宙線データおよびMIP（最小電離粒子）サンプルを用いたSPDおよびPSのキャリブレーションにより、ベースライン応答および効率を決定する。
• 放射性核種（例：⁶⁰Co）を用いたECALのエネルギー スケールキャリブレーション、および既知の粒子崩壊（例：J/ψ → μ⁺μ⁻）とパイルアップ補正によるイン・サイトキャリブレーション。
• ¹³⁷Cs源測定およびPMT増幅率モニタリングによるHCALのキャリブレーションにより、エネルギー分解能および線形性を維持する。
• 長期間にわたる光出力および増幅率の変化モニタリングを用いたECALおよびHCALの老化補正の適用。
• Bボソン崩壊（例：Bs⁰ → J/ψ η、η′）の高統計サンプルを用いたオフラインキャリブレーション技術により、エネルギー スケールおよび分解能の検証および最適化。
• Run 2におけるHLTへのカルシウム・コリメータデータの統合により、リアルタイム選別中にオフライン品質のPID変数を提供できるようにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCbカルシウム・コリメータのエネルギー スケールは、Run 1およびRun 2の間でどのようにキャリブレーションされ、維持されたか？
• RQ2 √s = 7–8 TeV（Run 1）から13 TeV（Run 2）にビームエネルギーが上昇したことに伴い、キャリブレーション手順にどのような変更が加えられたか？
• RQ3 デバイスの老化およびパイルアップがECALおよびHCALの性能に与える影響は何か？ その影響はどのように補正されたか？
• RQ4 光子、π⁰メソン、電子の再構成性能は、特に重ね合わされた光子および変換光子の状態でどの程度であったか？
• RQ5 Run 2におけるHLTへのカルシウム・コリメータ情報の統合により、トリガレベル選別の効率および純度はどのように向上したか？

主な発見

• LHCbカルシウム・コリメータはRun 1およびRun 2を通じて安定した性能を維持しており、成功裏なキャリブレーションおよび老化補正により、エネルギー分解能および応答の一貫性が確保された。
• ECALのエネルギー分解能は1 GeVの光子に対して約1.5%であったが、非線形性およびパイルアップ効果の補正が施された。
• Bs⁰ → J/ψ η′およびBs⁰ → J/ψ η崩壊の分岐比の比は0.90 ± 0.09（統計）± 0.06（系誤差）と測定され、以前のBelleの結果と整合的であり、精度が向上した。
• 宇宙線およびMIPサンプルを用いたSPDおよびPSのキャリブレーションは成功裏に終了し、全領域で動的レンジおよび分解能が維持された。
• ¹³⁷Cs源測定およびPMT増幅率モニタリングによるHCALキャリブレーションにより、長期間の運用後でも応答およびエネルギー分解能が安定した。
• Run 2におけるHLTへのカルシウム・コリメータおよびRICH情報の統合により、高純度のキャリブレーションサンプルが得られ、光子およびπ⁰メソンを含むレア崩壊のトリガ効率が向上した。