[论文解读] The beam-gas method for luminosity measurement at LHCb

P. Hopchev|arXiv (Cornell University)|May 24, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出了一种在LHCb实验中利用束流-气体相互作用的顶点重建来测量绝对亮度的束流-气体方法，通过VELO探测器测量束流参数（如位置、宽度和束流交叉角）以实现亮度测量。该方法在2009年数据中实现了15%的亮度相对精度，证明了其在未来LHC高精度亮度校准中的可行性。

ABSTRACT

The high resolution of the LHCb vertex detector makes it possible to perform precise measurements of the vertex positions of beam-gas and beam-beam interactions. With these measurements beam parameters such as width and position can be measured. A novel method for determining the absolute luminosity at the LHC using the directly measured beam parameters is presented. The data taken in 2009 is used to illustrate the procedure.

研究动机与目标

• 开发一种利用束流-气体相互作用进行LHCb实验中绝对亮度测量的新方法。
• 利用VELO探测器的高空间分辨率顶点重建技术，测量束流参数（如位置、宽度和交叉角）。
• 通过直接测量束流重叠区域和束流强度，降低亮度确定中的系统不确定性。
• 利用源自束流-气体数据的主亮度标度，对参考截面和亮度计数器进行校准。

提出的方法

• 利用具有高空间分辨率且靠近束流管道的LHCbVELO探测器，重建束流-气体相互作用的顶点位置。
• 从x-z平面和y-z平面上束流-气体顶点的空间分布中测量束流参数（宽度、位置、斜率、交叉角）。
• 使用公式(1)中的束流重叠积分，结合测量得到的束流密度和 train 强度，计算亮度。
• 应用去卷积技术，校正顶点分辨率对测量束流尺寸的影响，提高束流剖面确定的准确性。
• 将加速器仪器测量的束流强度与重建的束流几何形状相结合，计算绝对亮度。
• 使用2009年LHC数据验证该方法，当时束流条件不够稳定，且VELO探测器部分缩回，以评估系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 VELO探测器中束流-气体顶点重建能否提供可靠且精确的亮度测量所必需的束流参数？
• RQ2 利用2009年数据，束流-气体方法在绝对亮度测量中可达到的精度是多少？
• RQ3 顶点分辨率和探测器几何形状在束流-气体方法中对束流尺寸和重叠积分测量精度有何影响？
• RQ4 在缺乏标准模型过程的情况下，束流-气体相互作用在多大程度上可用于校准亮度计数器和参考截面？
• RQ5 束流调整（如微型扫描）如何影响预测与测量的发光区域形状和位置之间的符合度？

主要发现

• 束流-气体方法在2009年数据中实现了15%的绝对亮度相对精度，其中约10%的不确定度来自束流重叠测量，约15%来自束流强度的不确定性。
• 束流-气体顶点重建使束流斜率、宽度和交叉角得以测量，且在x-z平面上观测到的交叉角与LHCb二极磁铁引起的预期值一致。
• VELO的顶点分辨率对束流尺寸确定有微小但不可忽略的影响，尤其在x方向，这与2009年探测器部分缩回有关。
• 对测量束流尺寸进行顶点分辨率去卷积处理，提高了束流剖面重建的准确性，修正后的束流尺寸在图4中以黄色显示。
• 该方法即使在次优条件下（如2009年VELO部分缩回的配置）也展示了亮度校准的可行性。
• 未来束流强度测量的改进以及2010年数据量的增加，预计将显著提升亮度确定的精度。