[论文解读] Studies of the muon momentum calibration and performance of the ATLAS detector with $pp$ collisions at $\sqrt{s}$=13 TeV

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2918 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文提出了一种基于139 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√s = 13 TeV）的新型数据驱动方法，用于ATLAS探测器中μ子动量的标定。该方法利用Z→μ⁺μ⁻共振态校正电荷相关的动量偏差，并利用J/ψ→μ⁺μ⁻和Z→μ⁺μ⁻衰变将模拟结果与数据匹配，实现了在Z峰处动量标度不确定度为0.05%，在J/ψ峰处为0.1%，分辨率不确定度分别为1.5%和2%。

ABSTRACT

This paper presents the muon momentum calibration and performance studies for the ATLAS detector based on the $pp$ collisions data sample produced at $\sqrt{s}$=13 TeV at the LHC during Run 2 and corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. An innovative approach is used to correct for potential charge-dependent momentum biases related to the knowledge of the detector geometry, using the $Z ightarrow μ^{+}μ^{-}$ resonance. The muon momentum scale and resolution are measured using samples of $J/ψ ightarrow μ^{+}μ^{-}$ and $Z ightarrow μ^{+}μ^{-}$ events. A calibration procedure is defined and applied to simulated data to match the performance measured in real data. The calibration is validated using an independent sample of $Υ ightarrow μ^{+}μ^{-}$ events. At the $Z$ ($J/ψ$) peak, the momentum scale is measured with an uncertainty at the 0.05% (0.1%) level, and the resolution is measured with an uncertainty at the 1.5% (2%) level. The charge-dependent bias is removed with a dedicated {\em in situ} correction for momenta up to 450 GeV with a precision better than 0.03 TeV$^{-1}$.

研究动机与目标

• 为解决因探测器几何结构知识不完善而导致的μ子重建中电荷相关的动量偏差问题。
• 利用Z→μ⁺μ⁻、J/ψ→μ⁺μ⁻和Υ→μ⁺μ⁻衰变的真实对撞数据，对μ子动量标度和分辨率进行标定。
• 开发一种模拟标定程序，以改善模拟数据与真实数据性能的一致性。
• 使用独立的数据样本以及比标定中使用的更精细的动量区域对校准结果进行验证。

提出的方法

• 利用Z→μ⁺μ⁻事例测量并校正由探测器几何结构不确定性引起的电荷相关动量偏差。
• 利用J/ψ→μ⁺μ⁻和Z→μ⁺μ⁻衰变测量数据中的动量标度和分辨率。
• 对模拟事例应用专门的校准，使模拟的μ子性能与真实数据对齐。
• 引入一种新型的内探测器与μ子谱仪（ID+MS）组合轨迹校准方法，提升动量分辨率。
• 采用一种改进收敛性的替代拟合方法，以提高标度和分辨率提取的精度。
• 使用独立的Υ→μ⁺μ⁻样本以及比标定中更细的伪快度区间对校准结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于探测器几何结构不确定性导致的电荷相关动量偏差的大小和来源是什么？
• RQ2 在真实数据中，利用Z→μ⁺μ⁻和J/ψ→μ⁺μ⁻衰变，μ子动量标度和分辨率的测量精度如何？
• RQ3 模拟数据在多大程度上可以被标定以重现真实数据中的动量标度和分辨率？
• RQ4 与单独子探测器校准相比，新的ID+MS组合轨迹校准方法在提升动量分辨率方面有何改进？
• RQ5 当在校准独立的Υ→μ⁺μ⁻数据和更精细的动量区域上进行验证时，该校准流程是否保持准确性？

主要发现

• 在Z峰处动量标度的不确定度为0.05%，在J/ψ峰处为0.1%。
• 在Z峰处动量分辨率的不确定度为1.5%，在J/ψ峰处为2%。
• 电荷相关的动量偏差已得到校正，校正精度优于0.03 TeV⁻¹（适用于高达450 GeV的动量）。
• 校准降低了ID+MS方法中的模糊效应不确定度，但相比CB方法，其标度不确定度有所增加。
• 校正后的模拟数据在Υ→μ⁺μ⁻、J/ψ→μ⁺μ⁻和Z→μ⁺μ⁻衰变中，与真实数据在二μ子质量标度和分辨率方面表现出极佳的一致性。
• 使用独立的Υ→μ⁺μ⁻样本进行验证，证实了该校准在不同动量区域下的鲁棒性。