[論文レビュー] The factorization bias in the Van der Meer method: Run 2 experiences at the CMS experiment

J. Knolle|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのRun 2期におけるバン・デル・メール光度測定における因子化バイアスを定量化および補正するために、CMS実験が開発した複数の手法—ビームイメージング、オフセットスキャン、ビームスポットの時間的変化、対角スキャン—を提示する。ビームイメージング法は、特別なスキャンから得られる頂点分布を用いて横断的陽子密度を再構築するもので、主な補正手段である。予備的な結果では、13 TeV陽子-陽子衝突の一部で因子化バイアスが最大0.5%に達することが示された。

ABSTRACT

The luminosity measurement of the CMS experiment at the CERN LHC is calibrated with Van der Meer (VdM) scans. A bias occurs in the VdM method due to the assumption of transversely factorizable proton densities of the LHC beams. Here, the different methods applied in Run 2 to estimate the size of the factorization bias are reported. The beam-imaging method reconstructs the transverse proton densities from beam-imaging scans. Additional methods exploit offset scans, analyze the evolution of the measured luminous region, and evaluate diagonal scans.

研究の動機と目的

• 非因子化可能な陽子ビームプロファイルに起因するバン・デル・メール法における因子化バイアスの定量化。
• 標準的なVdMスキャン仮定を超えるバイアス推定のための補完的手段の開発および検証。
• LHCにおける陽子-陽子衝突および重イオン衝突の絶対光度校正の精度向上。
• ビームスポットの時間的変化や対角スキャンなどの独立手法を用いた結果の相互検証。
• 非因子化補正に基づく可視断面積の系統的不確実性の付与。

提案手法

• ビームスキャンを用いて、ビーム分離距離にわたる頂点分布を測定することで、横断的陽子密度を再構築する。
• ガウス型モデルを用い、相関パラメータ ϱ を含む、4つのビーム画像（2つのビーム、2つの直交方向）を同時にフィットすることで、非因子化を定量化する。
• 位置補正を施したオフセットスキャンを用い、等しいビーム分離距離におけるイベント率を比較することで、スキャン方向間の整合性を検証する。
• 3次元頂点フィットを用いて、スキャンステップごとのビーム幅、位置、傾きパラメータを抽出することで、ビームスポットの時間的変化を分析する。
• x±y方向への対角スキャンを実施し、回転座標系におけるビーム重ね合わせ幅を測定し、楕円フィットにより ϱ を抽出する。
• 測定された頂点数と実際の陽子密度との関係を記述するために、頂点分解能関数 V を用いた畳み込みモデルを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非因子化可能なビームプロファイルに起因するバン・デル・メール光度測定における因子化バイアスの大きさは何か？
• RQ2 専用スキャンからの頂点データを用いたビームイメージング法は、非因子化陽子密度をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ3 オフセットスキャン、ビームスポットの時間的変化、対角スキャンなどの代替手法は、ビームイメージング法によるバイアス推定とどの程度一致するか？
• RQ4 長時間にわたるLHCフィルの間、非因子化パラメータ ϱ はどのように時間経過とともに変化するか？
• RQ5 ビームイメージング法は、将来の光度校正において、バイアス補正で0.5%の精度に達することができるか？

主な発見

• ビームイメージング法は、横断的陽子密度を効果的に再構築でき、相関パラメータ ϱ を用いて非因子化を定量化した。2015年から2017年のフィルでは、|ϱ|値が0.01から0.15の間で観測された。
• 2018年、13 TeV ppのLHCフィル6868において、オフセットスキャン解析により得られた ϱ 値は、ビームイメージング結果と整合的であり、相互検証が成功した。
• ビームスポットの時間的変化解析は、独立したバイアス推定の可能性を示しており、現在、ビームイメージング結果と比較する研究が進行中である。
• 対角スキャンは、CMSでRun 2期に初めて実施された。特に、他の手法が限界に達する低レートPbPb衝突において有効であった。
• Run 2のデータ取得期間を通じて、因子化バイアスの補正は0%から0.5%の範囲にあり、それに応じた不確実性が付与された。
• 現在進行中の研究では、特定のフィルにおいてビームイメージング法が0.5%の精度でバイアス補正を達成可能である可能性が示唆されており、光度校正の精度向上に寄与している。