[论文解读] Measurement of the Charge Ratio of Cosmic Muons using CMS Data

M. Aldaya, P. Garcı́a-Abia|ArXiv.org|Oct 20, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 8

一句话总结

本研究利用CMS探测器在磁铁测试与宇宙线挑战（MTCC）期间获取的数据，测量宇宙μ子的电荷比，采用阻滞室室（drift tube chambers）重建μ子轨迹，并对探测器不对称性进行修正。分析结果显示，电荷比在动量上独立，为⟨R_CMS⟩ = 1.282 ± 0.004（统计）± 0.007（系统），与先前测量结果一致，表明由于大气产生动力学，正μ子略有过剩。

ABSTRACT

We have performed the measurement of the cosmic ray muon charge ratio, as a function of the muon momentum, using data collected by the CMS experiment, exploiting the capabilities of the muon barrel drift tube (DT) chambers. The cosmic muon charge ratio is defined as the ratio of the number of positive- to negative-charge muons. Cosmic ray muons result from the interaction of high-energy cosmic-ray particles (mainly protons and nuclei), entering the upper layers of the atmosphere, with air nuclei. Since these collisions favour positive meson production, there is an asymmetry in the charge composition and more positive muons are expected. The data samples were collected at the extit{Magnet Test and Cosmic Challenge} (MTCC). While the MTCC itself was a crucial milestone in the CMS detector construction, not having physics studies among its primary goals, it provided the first opportunity to obtain physics results and test the full analysis chain using real data in CMS before the LHC startup, together with a complementary check of the detector performance.

研究动机与目标

• 利用LHC启动前CMS实验的真实数据，测量宇宙μ子电荷比随动量的变化。
• 通过MTCC阶段的宇宙μ子评估探测器性能，并验证完整的分析链路。
• 校正正负电荷μ子重建与触发效率之间的几何和磁场引起的不对称性。
• 将测量得到的电荷比与先前实验结果及理论预期进行比较。
• 量化测量过程中电荷混淆、对准误差和校准不准确带来的系统不确定性。

提出的方法

• 利用MTCC阶段在4 T磁场下采集的宇宙μ子数据，仅使用YB+1和YB+2区域的μ子端盖阻滞室（DT）室。
• 采用独立的μ子重建方法，并应用自定义校准常数，以补偿宇宙μ子随机到达时间的影响。
• 基于测量数据实施对准校正，以提高空间分辨率并减少重建偏差。
• 在第10号区域定义左右对称的感兴趣区域几何结构，以最小化μ⁺与μ⁻之间接受度的不对称性。
• 要求至少三个DT站（三重态/四重态）参与μ子重建，以确保高质量、无偏的样本。
• 使用0 T和4 T下的模拟数据交叉检验重建效率、电荷混淆及系统校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MTCC阶段，CMS探测器测得的宇宙μ子动量依赖电荷比是多少？
• RQ2 磁场效应和探测器几何结构如何影响正负μ子相对探测效率？
• RQ3 电荷混淆、对准误差或校准不准确对测量电荷比的影响程度如何？
• RQ4 CMS测量结果在精度和一致性方面与先前实验结果相比如何？
• RQ5 在测量范围内，电荷比是否与μ子动量无关？其积分值是多少？

主要发现

• 测得的μ子电荷比在所研究的动量范围内与动量无关，未观察到显著变化。
• 在动量谱上的积分电荷比为⟨R_CMS⟩ = 1.282 ± 0.004（统计）± 0.007（系统），表明正μ子多出28.2%。
• 各次运行的统计不确定性较小且与涨落一致，表明数据稳定性良好。
• 系统不确定性主要来自电荷混淆和对准校正，各动量区间贡献低于0.6%。
• 测得的电荷比与其它实验的先前测量结果高度一致，实验不确定性范围内吻合良好。
• 感兴趣区域几何结构和选择标准有效抑制了μ⁺与μ⁻之间接受度和触发效率的不对称性。