[论文解读] Performance of the CMS High Granularity Calorimeter prototype to charged pion beams of 20$-$300 GeV/c

CMS Collaboration, CALICE Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文利用能量范围为20至300 GeV/c的带电π介子束，评估了CMS高颗粒度量能器（HGC）原型的性能。结果表明，采用QGSP_FTFP_BERT_EMN和FTFP_BERT_EMN物理列表的GEANT4模拟能够准确再现经过标定后的探测器能量响应、非线性特性及簇射剖面，对在CE-E中簇射的π介子，随机项为131.7±1.0%；对MIP类π介子，随机项为122.1±1.4%。

ABSTRACT

The upgrade of the CMS experiment for the high luminosity operation of the LHC comprises the replacement of the current endcap calorimeter by a high granularity sampling calorimeter (HGCAL). The electromagnetic section of the HGCAL is based on silicon sensors interspersed between lead and copper (or copper tungsten) absorbers. The hadronic section uses layers of stainless steel as an absorbing medium and silicon sensors as an active medium in the regions of high radiation exposure, and scintillator tiles directly readout by silicon photomultipliers in the remaining regions. As part of the development of the detector and its readout electronic components, a section of a silicon-based HGCAL prototype detector along with a section of the CALICE AHCAL prototype was exposed to muons, electrons and charged pions in beam test experiments at the H2 beamline at the CERN SPS in October 2018. The AHCAL uses the same technology as foreseen for the HGCAL but with much finer longitudinal segmentation. The performance of the calorimeters in terms of energy response and resolution, longitudinal and transverse shower profiles is studied using negatively charged pions, and is compared to GEANT4 predictions. This is the first report summarizing results of hadronic showers measured by the HGCAL prototype using beam test data.

研究动机与目标

• 通过在宽广能量范围内使用带电π介子束，评估CMS高颗粒度量能器原型的能量分辨率与响应线性度。
• 分别使用50 GeV正电子和π介子对原型的电磁与强子部分进行标定，以建立一致的能量刻度。
• 验证GEANT4模拟在重现强子簇射响应方面对两种物理列表（QGSP_FTFP_BERT_EMN和FTFP_BERT_EMN）的准确性。
• 开发并测试一种基于χ²最小化的能量依赖标定方法，以校正不同量能器隔室中的非线性响应。
• 比较测量与模拟的纵向与横向簇射剖面，识别出需在数字化与电子学建模中进一步优化的差异。

提出的方法

• 使用能量范围为20–300 GeV/c的带电π介子束辐照HGC原型，以测量能量沉积与簇射发展特性。
• 利用50 GeV正电子事件固定电磁能量刻度，利用50 GeV π介子事件固定强子能量刻度。
• 通过以束流能量为参考，利用χ²最小化方法推导出能量依赖的标定权重，以校正非线性响应。
• 采用两种GEANT4物理列表——QGSP_FTFP_BERT_EMN和FTFP_BERT_EMN——模拟强子簇射发展，并与实验数据进行比较。
• 实现一种算法，利用空间分布与能量沉积模式识别探测器中强子簇射的起始点。
• 在CE-E、CE-H和AHCAL区域对数据与模拟的横向与纵向簇射剖面进行详细比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用QGSP_FTFP_BERT_EMN和FTFP_BERT_EMN物理列表的GEANT4模拟，能否准确再现HGC原型对π介子束的能量响应？
• RQ2 校正不同量能器隔室中非线性能量响应的最优标定策略为何？
• RQ3 模拟对实验中观测到的纵向与横向簇射剖面的再现程度如何？
• RQ4 在粒子轨迹附近，测量与模拟的能量沉积之间存在哪些差异？这些差异对模拟保真度有何启示？
• RQ5 基于束流能量为参考的能量依赖标定权重，是否能较固定权重方法提升能量分辨率？

主要发现

• 对于在CE-E中不发生相互作用的π介子，模拟的能量响应比数据高9.5%；对于在CE-E中引发簇射的π介子，模拟值高5%。
• 在修正能量刻度差异后，模拟准确再现了响应的非线性特性。
• 在数据中，π介子在CE-E中簇射的随机项为131.7±1.0%，MIP类π介子的随机项为122.1±1.4%。
• 在数据中，簇射π介子的常数项为8.5±0.1，MIP类π介子的常数项为9.0±0.2。
• 两种物理列表预测的随机项与常数项均在测量值的8–10%范围内。
• 使用以束流能量为参考的能量依赖标定权重，其分辨率与固定权重方法相当或略优。