[論文レビュー] Studies of the muon momentum calibration and performance of the ATLAS detector with $pp$ collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2918 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、√s = 13 TeVのpp衝突データ139 fb⁻¹を用いて、ATLAS検出器におけるミューオン運動量の新しいデータ駆動型キャリブレーション手法を提示する。Z→μ⁺μ⁻共鳴状態を用いて電荷依存の運動量バイアスを補正し、J/ψ→μ⁺μ⁻およびZ→μ⁺μ⁻崩壊を用いてシミュレーションを実データに一致させる。Zピークにおいて運動量スケール不確実性が0.05%、J/ψピークにおいては0.1%に達し、分解能不確実性はそれぞれ1.5%および2%である。

ABSTRACT

This paper presents the muon momentum calibration and performance studies for the ATLAS detector based on the $pp$ collisions data sample produced at $\sqrt{s}$=13 TeV at the LHC during Run 2 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. An innovative approach is used to correct for potential charge-dependent momentum biases related to the knowledge of the detector geometry, using the $Z ightarrow μ^{+}μ^{-}$ resonance. The muon momentum scale and resolution are measured using samples of $J/ψ ightarrow μ^{+}μ^{-}$ and $Z ightarrow μ^{+}μ^{-}$ events. A calibration procedure is defined and applied to simulated data to match the performance measured in real data. The calibration is validated using an independent sample of $Υ ightarrow μ^{+}μ^{-}$ events. At the $Z$ ($J/ψ$) peak, the momentum scale is measured with an uncertainty at the 0.05% (0.1%) level, and the resolution is measured with an uncertainty at the 1.5% (2%) level. The charge-dependent bias is removed with a dedicated {\em in situ} correction for momenta up to 450 GeV with a precision better than 0.03 TeV$^{-1}$.

研究の動機と目的

• 不完全な検出器幾何形状の知識に起因するミューオン再構築における電荷依存運動量バイアスを是正すること。
• Z→μ⁺μ⁻、J/ψ→μ⁺μ⁻、およびΥ→μ⁺μ⁻崩壊からの実際の衝突データを用いて、ミューオン運動量スケールおよび分解能をキャリブレーションすること。
• シミュレーションと実データの性能の一致を高めるためのシミュレーションキャリブレーション手順を開発すること。
• キャリブレーションに使用した領域とは独立したデータサンプルおよびより細分化された運動量領域を用いて、キャリブレーションの妥当性を検証すること。

提案手法

• 検出器幾何形状の不確実性に起因する電荷依存運動量バイアスを測定・補正するために、Z→μ⁺μ⁻イベントを用いる。
• データにおける運動量スケールおよび分解能を測定するために、J/ψ→μ⁺μ⁻およびZ→μ⁺μ⁻崩壊を用いる。
• シミュレーテッドイベントに特化したキャリブレーションを適用し、シミュレーテッドミューオン性能を実データに一致させる。
• 新しい組み合わせ型インナーディテクタとミューオンスプライタ（ID+MS）トラックキャリブレーションを導入し、運動量分解能を向上させる。
• スケールおよび分解能抽出の精度を向上させるために、収束性が向上した代替のフィッティング手法を用いる。
• キャリブレーションに使用した領域とは異なる独立したΥ→μ⁺μ⁻サンプルおよびより細分化されたピーソリティ（pseudorapidity）領域を用いて、キャリブレーションの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 検出器幾何形状の不確実性に起因するミューオン運動量再構築における電荷依存運動量バイアスの大きさと発生源は何か？
• RQ2 実データにおけるZ→μ⁺μ⁻およびJ/ψ→μ⁺μ⁻崩壊を用いて、ミューオン運動量スケールおよび分解能をどの程度高い精度で測定できるか？
• RQ3 シミュレーションをどれほど正確にキャリブレーションすることで、実データの測定された運動量スケールおよび分解能を再現できるか？
• RQ4 新しいID+MS統合トラックキャリブレーションは、個別のサブ検出器キャリブレーションと比較して、運動量分解能をどの程度向上させるか？
• RQ5 独立したΥ→μ⁺μ⁻データおよびより細分化された運動量領域で検証した場合、キャリブレーション手順の精度は保持されるか？

主な発見

• Zピークでは運動量スケールの不確実性が0.05%、J/ψピークでは0.1%に達した。
• Zピークでは運動量分解能の不確実性が1.5%、J/ψピークでは2%に達した。
• 450 GeVまでの運動量において、電荷依存運動量バイアスが0.03 TeV⁻¹未満の精度で補正された。
• ID+MS手法におけるスメアリング不確実性は低減されたが、CB手法と比較してスケール不確実性は増加した。
• 補正済みシミュレーションは、Υ→μ⁺μ⁻、J/ψ→μ⁺μ⁻、およびZ→μ⁺μ⁻崩壊の全範囲で、データと優れた一致を示した。
• 独立したΥ→μ⁺μ⁻サンプルを用いた検証により、異なる運動量領域においてもキャリブレーションの堅牢性が確認された。