[论文解读] Electron and photon energy calibration with the ATLAS detector using LHC Run 2 data

G. Aad, B. Abbott+2993 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 32被引用 1

一句话总结

本文利用LHC运行2期间在√s = 13 TeV下获取的140 fb⁻¹数据，为ATLAS探测器提出了高精度的电子和光子能量校准。该工作引入了可变尺寸超簇联块的改进重建方法、基于μ子的预采样器校准，以及高增益与中增益电子学部件之间的交叉校准，使Z→ee衰变的能量不确定度达到0.05%，60 GeV能量下光子的不确定度为0.2%，精度较以往结果提升了一倍以上。

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.

研究动机与目标

• 利用LHC运行2期间的数据，提升ATLAS探测器中电子与光子能量校准的精度。
• 通过改进的重建与校准技术，降低能量标度确定中的系统性不确定度。
• 利用独立的衰变样本（如J/ψ→ee和Z→ℓℓγ）对新校准方法进行验证。
• 通过精确测量电磁量能器响应的能量线性度，进一步约束校准不确定度。

提出的方法

• 利用LHC运行2期间在√s = 13 TeV下收集的140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用可变尺寸超簇联块代替固定尺寸簇联块，以提升电子与光子的重建精度。
• 采用基于μ子的校准方法替代基于电子/光子的校准方法，以减少系统性偏差。
• 利用电子与μ子数据联合校准电磁量能器各层，提升响应的一致性。
• 以Z→ee衰变作为绝对能量标度的基准，并通过约束残余能量依赖性来减小系统性不确定度。
• 利用独立样本（J/ψ→ee和辐射Z→ℓℓγ衰变）对校准结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用运行2数据，ATLAS探测器中电子与光子能量校准的可实现精度是多少？
• RQ2 改进的重建方法（如超簇联块）与校准技术（如基于μ子的预采样器校准）如何降低系统性不确定度？
• RQ3 测量量能器响应的能量线性度在多大程度上可进一步约束校准不确定度？
• RQ4 在独立衰变样本（如J/ψ→ee和Z→ℓℓγ）上验证时，新校准方法的性能如何？
• RQ5 更新的被动材料建模与ADC非线性修正对能量响应均匀性有何影响？

主要发现

• 电子能量校准在Z→ee衰变中达到0.05%的精度，相比以往结果提升了一倍以上。
• 在横向能量为10 GeV时，校准不确定度为0.4%；在1 TeV时，为0.3%。
• 在60 GeV能量下，光子的平均校准不确定度为0.2%，显著优于以往精度。
• 新校准通过引入对量能器响应能量线性度的测量，有效降低了系统性不确定度。
• 利用J/ψ→ee衰变的验证表明，能量谱范围内的一致性在0.05%以内。
• 辐射Z→ℓℓγ衰变进一步验证了光子校准的可靠性，在60 GeV能量下结果一致度在0.2%以内。