[论文解读] Calibration of the Charge and Energy Response of the MicroBooNE Liquid Argon Time Projection Chamber using Muons and Protons

C. Adams, J. Nowak+186 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Muon and positron interactions and applications被引用 6

一句话总结

本文提出了一种数据驱动的校准方法，用于MicroBooNE液氩时间投影室，利用宇宙射线μ子和束流诱导的μ子与质子，校正阳极丝信号中与位置和时间相关的响应变化。该方法实现了3%的绝对能量标度不确定度，并通过能量损失测量提高了高电离粒子的能量沉积和粒子识别精度。

ABSTRACT

We describe a method used to calibrate the position- and time-dependent response of the MicroBooNE liquid argon time projection chamber anode wires to ionization particle energy loss. The method makes use of crossing cosmic-ray muons to partially correct anode wire signals for multiple effects as a function of time and position, including misconfigured or cross-connected TPC wires, space charge effects, electron attenuation, diffusion, and recombination. The overall energy scale is then determined using fully-contained beam-induced muons originating and stopping in the active region of the detector. Using this method, we obtain an absolute energy scale uncertainty of 3\% in data. We use stopping protons to further refine the relation between the measured charge and the energy loss for highly-ionizing particles. This data-driven detector calibration improves both the measurement of total deposited energy and particle identification based on energy loss per unit length as a function of residual range.

研究动机与目标

• 解决MicroBooNE液氩时间投影室中由于电离能损引起的阳极丝信号位置和时间相关畸变问题。
• 校正多种探测器效应，包括电子衰减、扩散、复合、空间电荷以及导线配置错误。
• 利用完全包含在有效体积内的束流诱导μ子，建立精确的绝对能量标度。
• 利用停止的质子，对高电离粒子的电荷-能量响应进行优化。
• 基于剩余射程的dE/dx，改进总沉积能量测量和粒子识别精度。

提出的方法

• 利用交叉穿越的宇宙射线μ子，识别并校正TPC阳极丝上随时间和位置变化的信号畸变。
• 利用μ子数据校正导线配置错误或交叉连接、电子衰减、扩散和复合效应。
• 通过分析完全包含在有效探测器体积内并停止的μ子，建立绝对能量标度。
• 利用停止的质子校准高电离粒子的电荷响应，改进dE/dx响应模型。
• 采用数据驱动方法推导电荷-能量关系，不依赖仅基于模拟的模型。
• 通过将测量的dE/dx值与质子和μ子在不同剩余射程下的预期能量损失进行比较，验证校准效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用宇宙射线μ子校正MicroBooNE LArTPC中的位置和时间相关信号畸变？
• RQ2 当使用在有效体积内停止的束流诱导μ子时，可实现的绝对能量标度不确定度是多少？
• RQ3 高电离粒子（如质子）的电荷响应与预期能量损失值相比如何？
• RQ4 该校准在多大程度上提高了总沉积能量测量的精度？
• RQ5 能否利用停止的质子可靠地校准dE/dx随剩余射程的变化？

主要发现

• 该校准方法显著减小了MicroBooNE LArTPC阳极丝响应中的位置和时间相关信号畸变。
• 利用在有效体积内停止的束流诱导μ子，确定了绝对能量标度，总不确定度为3%。
• 通过停止的质子优化了高电离粒子的电荷-能量响应，提升了dE/dx测量精度。
• 数据驱动校准提高了探测器中总沉积能量重建的准确性。
• 该方法基于剩余射程的单位长度能量损失（dE/dx）提升了粒子识别能力。
• 校准使离子化能损测量更加精确，这对中微子相互作用分析至关重要。