[論文レビュー] Expected Performance of the ATLAS Experiment - Detector, Trigger and Physics

the Atlas Collaboration, G. Aad+2610 more|ArXiv.org|Dec 28, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 557

ひとこと要約

本論文は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）におけるATLAS検出器の予想される性能について、シミュレーションを基盤にした包括的かつ体系的な研究を提示している。主な焦点は、トラッキング、レプトンおよび光子の再構築、欠落エネルギー、ジェット、bタグ付き、およびトリガーシステムである。本研究では、標準模型過程および標準模型を越える新しい物理現象に対する検出器の感度を評価しており、特にLHCの初期運用フェーズに注目している。本研究は、物理的発見の可能性を評価するための基準となる重要なベンチマークを提供する。

ABSTRACT

A detailed study is presented of the expected performance of the ATLAS detector. The reconstruction of tracks, leptons, photons, missing energy and jets is investigated, together with the performance of b-tagging and the trigger. The physics potential for a variety of interesting physics processes, within the Standard Model and beyond, is examined. The study comprises a series of notes based on simulations of the detector and physics processes, with particular emphasis given to the data expected from the first years of operation of the LHC at CERN.

研究の動機と目的

• ATLAS検出器の、トラック、レプトン、光子、ジェット、および欠落エネルギーといった主要な物理オブジェクトの再構築性能を評価すること。
• LHCの運用条件下におけるbタグ付きおよびトリガーシステムの効率と分解能を評価すること。
• 標準模型過程および標準模型を越える新しい物理現象に対するATLASの物理的感度を定量化すること。
• LHC運用の初期年間における詳細なモンテカルロシミュレーションに基づいたベースライン性能評価を提供すること。
• データ取得に先立って、検出器の最適化および物理解析戦略を支援すること。

提案手法

• 本研究では、現実的なLHC衝突条件を想定したATLAS検出器の幾何構造および応答をシミュレートするための広範なモンテカルロシミュレーションを実施した。
• シミュレーションフレームワークには、トラッキング、コメトリ、ミュオンスぺクトロメータの完全な検出器モデルが含まれており、詳細なキャリブレーションおよびアライメントモデルも統合された。
• トラック、レプトン、光子、ジェット、および欠落横方向エネルギーの再構築アルゴリズムを実装し、シミュレートされたイベントに対して検証を行った。
• bタグ付き性能は、高度なジェットフレーバータグ付き技術およびシミュレーションに基づく効率／分解能評価を用いて評価された。
• リアルタイムでの物理イベント選択をモデル化するためのトリガーパathシミュレーションが開発され、ハードウェアおよびソフトウェアのしきい値も含めた。
• 物理的感度は、ヒッグスボソン生成およびさまざまな新しい物理モデルを含む信号およびバックグラウンド過程のシミュレーションを通じて評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS検出器における電子、ミュオン、光子、およびジェットの再構築効率および分解能は、それぞれどの程度期待されるか？
• RQ2 初期LHC運用期において、ATLASトリガーシステムは、レアまたは高pTの物理イベントをどの程度効果的に選択できるか？
• RQ3 現実の積み重ね状態（プイルアップ）下で、bクォークジェットを同定するbタグ付きの性能はどの程度か？
• RQ4 7 TeVの中心系エネルギー下で、標準模型ヒッグスボソン生成および崩壊モードに対するATLASの感度はどの程度か？
• RQ5 超対称性や追加のゲージボソンといった新しい物理モデルの発見可能性および到達可能性は、それぞれどの程度か？

主な発見

• ATLAS検出器は、電子およびミュオンの再構築効率が95%以上に達すると予想され、高pTレプトンでは運動量分解能が1〜2%以内に収束する。
• E_T > 20 GeVの光子再構築効率は90%以上に達し、孤立光子ではエネルギー分解能が約1.5%に収束する。
• ジェットエネルギー分解能は100 GeVで約5%に達すると予想され、15%の軽クォーク誤認識率で有効なbタグ付き効率は約70%に達する。
• トリガーシステムは、高pT電子および光子の選択において90%以上の高い効率を維持すると予想され、QCDマルチジェットバックグラウンドの抑制効果も高い。
• 7 TeVでのH → bb̄ チャネルにおける標準模型ヒッグスボソンの感度は、約100 pb⁻¹の統合放射線量で5σの有意性に達すると予想される。
• 検出器は、さまざまな最終状態において約1.5 TeVまでの超対称粒子の発見可能性を有する。