[论文解读] Curvature-bias corrections using a pseudomass method

LHCb Collaboration, A. S. W. Abdelmotteleb+1097 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2023

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques参考文献 27被引用 1

一句话总结

本文提出了一种伪质量方法，用于校正LHCb探测器中由于追踪探测器错位导致的电荷依赖性曲率偏差。通过对2016–2018年LHC Run 2数据中Z →μ⁺μ⁻衰变的分析，该方法将曲率偏差降低至10⁻⁴ GeV⁻¹量级，使Z →μ⁺μ⁻质量分辨率提高18%，并消除了二muon不变质量中的运动学趋势。

ABSTRACT

Momentum measurements for very high momentum charged particles, such as muons from electroweak vector boson decays, are particularly susceptible to charge-dependent curvature biases that arise from misalignments of tracking detectors. Low momentum charged particles used in alignment procedures have limited sensitivity to coherent displacements of such detectors, and therefore are unable to fully constrain these misalignments to the precision necessary for studies of electroweak physics. Additional approaches are therefore required to understand and correct for these effects. In this paper the curvature biases present at the LHCb detector are studied using the pseudomass method in proton-proton collision data recorded at centre of mass energy $\sqrt{s}=13$ TeV during 2016, 2017 and 2018. The biases are determined using $Z oμ^+μ^-$ decays in intervals defined by the data-taking period, magnet polarity and muon direction. Correcting for these biases, which are typically at the $10^{-4}$ GeV$^{-1}$ level, improves the $Z oμ^+μ^-$ mass resolution by roughly 18% and eliminates several pathological trends in the kinematic-dependence of the mean dimuon invariant mass.

研究动机与目标

• 为解决由于探测器错位导致的LHCb高动量muon动量测量中的电荷依赖性曲率偏差。
• 提高电弱物理测量的精度，特别是W玻色子质量和弱混合角的测量。
• 校正会降低高能muonic衰变中动量分辨率的系统性偏差。
• 将伪质量方法扩展至2016年数据之外，涵盖2017年和2018年质子-质子碰撞数据。
• 通过Z →μ⁺μ⁻、J/ψ →μ⁺μ⁻和Υ(1S) →μ⁺μ⁻衰变验证该方法的一致性和分辨率提升效果。

提出的方法

• 将伪质量方法应用于Z →μ⁺μ⁻衰变，以分离单个muon动量测量中曲率偏差的影响。
• 伪质量M±定义为M± = √(2p±p∓p±_T p∭_T (1 − cosθ)) / M，其中M为不变质量，θ为muon夹角。
• 该方法利用M±仅依赖于单个muon动量的特性，使其对探测器中的局部曲率偏差敏感。
• 通过同时拟合正负电荷muon的M±分布，以10⁻⁴ GeV⁻¹量级提取曲率偏差δ。
• 分别针对每个数据采集期、磁铁极性及muon方向推导校正，实现基于运动学的校正。
• 通过观察平均二muon不变质量中系统性趋势的减少以及分辨率的提升，验证了校正效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb追踪系统中的曲率偏差如何影响来自Z →μ⁺μ⁻衰变的高动量muon动量测量？
• RQ2 探测器错位（尤其是相干位移）在多大程度上在动量重建中引入电荷依赖性偏差？
• RQ3 伪质量方法能否在磁极性变化的多套Run 2数据中准确提取曲率偏差参数δ？
• RQ4 所推导的校正如何改善Z →μ⁺μ⁻不变质量分布的分辨率并减少系统性趋势？
• RQ5 这些校正对其他高动量衰变（如J/ψ →μ⁺μ⁻和Υ(1S) →μ⁺μ⁻）有何影响？

主要发现

• 曲率偏差校正将动量测量中的系统性偏差降低至10⁻⁴ GeV⁻¹量级，该结果基于2016–2018年Z →μ⁺μ⁻衰变数据推导得出。
• 应用校正后，Z →μ⁺μ⁻质量分辨率提高约18%，显著提升了电弱测量的精度。
• 校正消除了平均二muon不变质量中与运动学相关的异常趋势，特别是随muon方位角变化的趋势。
• 该方法使Υ(1S) →μ⁺μ⁻质量分辨率提高约2%，证明其在Z玻色子衰变之外也具有广泛适用性。
• 伪质量方法成功隔离并校正了局部曲率偏差，即使在全局对准程序无法解决探测器相干位移时亦有效。
• 这些校正对于利用Run 2 LHCb数据进行W玻色子质量与弱混合角的高精度测量至关重要。