[논문 리뷰] Performance of the CMS High Granularity Calorimeter prototype to charged pion beams of 20$-$300 GeV/c

CMS Collaboration, CALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 20에서 300 GeV/c의 충전된 피온 빔을 사용하여 CMS 고해상도 캘로리메터(HGC) 프로토타입의 성능을 평가한다. QGSP_FTFP_BERT_EMN 및 FTFP_BERT_EMN 물리 목록을 사용한 GEANT4 시뮬레이션은 校정 이후 검출기의 에너지 응답, 비선형성 및 샤워 프로파일을 정확히 재현함을 보여주며, CE-E에서 피온 샤워의 확률적 항은 131.7±1.0%로 측정되었고, MIP 유사 피온의 경우 122.1±1.4%였다.

ABSTRACT

The upgrade of the CMS experiment for the high luminosity operation of the LHC comprises the replacement of the current endcap calorimeter by a high granularity sampling calorimeter (HGCAL). The electromagnetic section of the HGCAL is based on silicon sensors interspersed between lead and copper (or copper tungsten) absorbers. The hadronic section uses layers of stainless steel as an absorbing medium and silicon sensors as an active medium in the regions of high radiation exposure, and scintillator tiles directly readout by silicon photomultipliers in the remaining regions. As part of the development of the detector and its readout electronic components, a section of a silicon-based HGCAL prototype detector along with a section of the CALICE AHCAL prototype was exposed to muons, electrons and charged pions in beam test experiments at the H2 beamline at the CERN SPS in October 2018. The AHCAL uses the same technology as foreseen for the HGCAL but with much finer longitudinal segmentation. The performance of the calorimeters in terms of energy response and resolution, longitudinal and transverse shower profiles is studied using negatively charged pions, and is compared to GEANT4 predictions. This is the first report summarizing results of hadronic showers measured by the HGCAL prototype using beam test data.

연구 동기 및 목표

• 넓은 에너지 범위에서 충전된 피온 빔을 사용하여 CMS 고해상도 캘로리메터 프로토타입의 에너지 해상도와 응답 선형도를 평가하는 것.
• 50 GeV 양성자와 피온을 각각 사용하여 전자기 및 히드로닉 섹션의 에너지 스케일을 일관되게 설정하기 위해 프로토타입을 校정하는 것.
• 히드로닉 샤워에 대한 검출기 응답을 재현하는 데 있어 GEANT4 시뮬레이션의 정확도를 검증하기 위해 두 가지 물리 목록(QGSP_FTFP_BERT_EMN 및 FTFP_BERT_EMN)을 사용하는 것.
• χ² 최소화를 통해 얻은 에너지 의존성 校정 가중치를 사용하여 다양한 캘로리메터 구획에서의 비선형 응답을 보정하기 위한 방법 개발 및 시험.
• 측정된 데이터와 시뮬레이션 간의 종방향 및 횡방향 샤워 프로파일을 비교하여, 디지타이제이션 및 전자기 모델링의 개선이 필요한 차이점을 규명하는 것.

제안 방법

• 20–300 GeV/c 범위의 충전된 피온 빔을 HGC 프로토타입에 조사하여 에너지 손실과 샤워 발달을 측정하는 것.
• 50 GeV 양성자 사건을 사용하여 전자기 에너지 스케일을 고정하고, 50 GeV 피온 사건을 사용하여 히드로닉 스케일을 고정하는 것.
• 기준으로서 빔 에너지를 사용하여 χ² 최소화를 통해 유도된 에너지 의존성 校정 가중치를 적용하여 비선형 응답을 보정하는 것.
• 히드로닉 샤워 발달을 시뮬레이션하고 데이터와 비교하기 위해 두 가지 GEANT4 물리 목록(QGSP_FTFP_BERT_EMN 및 FTFP_BERT_EMN)을 사용하는 것.
• 공간적 및 에너지 손실 패턴을 기반으로 검출기 내 히드로닉 샤워의 시작점을 식별하는 알고리즘을 구현하는 것.
• CE-E, CE-H 및 AHCAL 섹션에서 데이터와 시뮬레이션 간의 횡방향 및 종방향 샤워 프로파일을 상세히 비교하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QGSP_FTFP_BERT_EMN 및 FTFP_BERT_EMN 물리 목록을 사용한 GEANT4 시뮬레이션은 피온 빔에 대한 HGC 프로토타입의 에너지 응답을 얼마나 정확히 재현하는가?
• RQ2 다양한 캘로리메터 구획에서 비선형 에너지 응답을 보정하기 위한 최적의 校정 전략은 무엇인가?
• RQ3 시뮬레이션은 측정된 데이터에서 관측된 종방향 및 횡방향 샤워 프로파일을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ4 입자 궤적 근처의 측정된 및 시뮬레이션된 에너지 손실 간의 격차는 무엇이며, 이는 시뮬레이션의 정밀도에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 기준으로 빔 에너지를 사용한 에너지 의존성 校정 가중치는 고정 가중치 방법에 비해 해상도 향상에 기여하는가?

주요 결과

• CE-E에서 상호작용하지 않는 피온의 경우 시뮬레이션에서 에너지 응답이 데이터보다 9.5% 높게 나타났고, CE-E에서 샤워를 유도하는 피온의 경우 5% 높았다.
• 에너지 스케일의 차이를 보정한 후, 응답의 비선형성은 시뮬레이션에서 잘 재현되었다.
• CE-E에서 피온 샤워의 확률적 항은 측정값으로 131.7±1.0%였고, MIP 유사 피온의 경우 122.1±1.4%였다.
• 데이터에서 샤워하는 피온의 경우 상수 항은 8.5±0.1, MIP 유사 피온의 경우 9.0±0.2였다.
• 두 물리 목록 모두 측정된 값과 8–10% 이내의 확률적 항 및 상수 항을 예측하였다.
• 기준으로 빔 에너지를 사용한 에너지 의존성 校정 가중치를 적용하면 고정 가중치 방법과 비교해 해상도가 유사하거나 略적으로 향상되었다.