[论文解读] Calibration and performance of the LHCb calorimeters in Run 1 and 2 at the LHC

Abellan Betata, A. Alfonso Albero+85 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 24

一句话总结

本文全面介绍了大型强子对撞机（LHC）运行1和运行2期间LHCb量能器的标定与性能评估，详细阐述了SPD、PS、ECAL和HCAL的能量刻度标定、响应监控及老化修正。结果表明，尽管束流能量持续增加，量能器仍保持高性能，实现了对光子、π⁰介子和电子的精确重建，关键成果包括对Bs⁰ → J/ψ η′/η分支分支比的精确测量，结果为0.90 ± 0.09（统计）± 0.06（系统）。

ABSTRACT

The calibration and performance of the LHCb Calorimeter system in Run 1 and 2 at the LHC are described. After a brief description of the sub-detectors and of their role in the trigger, the calibration methods used for each part of the system are reviewed. The changes which occurred with the increase of beam energy in Run 2 are explained. The performances of the calorimetry for $γ$ and $π^0$ are detailed. A few results from collisions recorded at $\sqrt {s}$ = 7, 8 and 13 TeV are shown.

研究动机与目标

• 在LHC运行1和运行2期间，建立并优化LHCb量能器子探测器（SPD、PS、ECAL、HCAL）的标定程序。
• 应对运行2中束流能量提升带来的挑战，特别是能量刻度稳定性与探测器响应的变化。
• 确保利用量能器数据对中性粒子（γ、π⁰）和电子实现高精度重建，以支持物理分析。
• 尽管存在探测器老化和运行2中堆积分量增加的情况，仍保持性能一致和标定精度。
• 通过提供经标定的能量和时间信息，支持L0触发和高级触发（HLT），实现实时事件选择。

提出的方法

• 利用宇宙射线数据和MIP（最小电离粒子）样本对标定SPD和PS，以确定基线响应和效率。
• 通过放射性源（如⁶⁰Co）和已知粒子衰变（如J/ψ → μ⁺μ⁻）的原位标定，对ECAL进行能量刻度标定，并应用堆积分量修正。
• 通过¹³⁷Cs源测量和PMT增益监控对HCAL进行标定，以维持能量分辨率和线性度。
• 利用对光输出和增益变化的长期监测，对ECAL和HCAL实施老化修正。
• 使用B介子衰变（如Bs⁰ → J/ψ η, η′）的高统计样本进行离线标定技术，以验证和优化能量刻度与分辨率。
• 在运行2中将量能器数据整合进HLT，实现实时选择过程中使用接近离线质量的PID变量。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb量能器的能量刻度在运行1和运行2期间是如何标定并保持稳定的？
• RQ2 由于束流能量从√s = 7–8 TeV（运行1）提升至13 TeV（运行2），标定程序需要做出哪些调整？
• RQ3 探测器老化和堆积分量如何影响ECAL和HCAL的性能，这些影响又是如何被修正的？
• RQ4 量能器在重建光子、π⁰介子和电子方面的性能如何，特别是在合并光子和转换光子构型下？
• RQ5 在运行2中将量能器信息整合进HLT后，如何提升了触发级选择的效率与纯净度？

主要发现

• LHCb量能器在运行1和运行2期间保持了稳定的性能，成功的标定与老化修正确保了能量分辨率和响应的一致性。
• ECAL对1 GeV光子的能量分辨率测量值约为1.5%，并已对非线性和堆积分量效应进行了修正。
• Bs⁰ → J/ψ η′与Bs⁰ → J/ψ η衰变分支比的比值测量结果为0.90 ± 0.09（统计）± 0.06（系统），与之前的Belle实验结果一致，但精度更高。
• SPD和PS通过宇宙射线和MIP样本成功完成标定，各区域的动态范围和分辨率均保持稳定。
• 通过¹³⁷Cs源测量和PMT增益监控对HCAL的标定，确保了在长期运行后仍保持稳定的响应和能量分辨率。
• 在运行2中将量能器与RICH信息整合进HLT，实现了更高纯净度的标定样本，并显著提升了涉及光子和π⁰介子的稀有衰变的触发效率。