[论文解读] Timing Performance of the CMS High Granularity Calorimeter Prototype

CMS HGCAL Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 1

一句话总结

本文首次对CMS高颗粒度量能器（HGCAL）原型的飞行时间性能进行了实验测量，实现了正电子簇射时间分辨率达亚100皮秒。通过使用微通道板（MCP）作为参考，研究测得其固有时间分辨率为~16皮秒，系统间额外存在50皮秒的抖动，证实了在HL-LHC应用中实现O(10皮秒)时间分辨的可行性。

ABSTRACT

This paper describes the experience with the calibration, reconstruction and evaluation of the timing capabilities of the CMS HGCAL prototype in the beam tests in 2018. The calibration procedure includes multiple steps and corrections ranging from tens of nanoseconds to a few hundred picoseconds. The timing performance is studied using signals from positron beam particles with energies between 20 GeV and 300 GeV. The performance is studied as a function of particle energy against an external timing reference as well as standalone by comparing the two different halves of the prototype. The timing resolution is found to be 60 ps for single-channel measurements and better than 20 ps for full showers at the highest energies, setting excellent perspectives for the HGCAL calorimeter performance at the HL-LHC.

研究动机与目标

• 使用高精度MCP参考测量HGCAL原型的时间分辨性能。
• 评估MCP与HGCAL系统间时间抖动对时间性能的影响。
• 通过比较原型两个对称部分之间的时间差，验证HGCAL的固有时间分辨性能。
• 确认原型装置中时钟分配系统的稳定性和性能。
• 提供实验依据，支持在HL-LHC最终HGCAL设计中实现O(10皮秒)时间分辨的可行性。

提出的方法

• 使用微通道板（MCP）探测器作为正电子簇射精确时间标记的参考。
• 通过在多个能量水平下比较HGCAL信号与MCP参考信号，测量时间分辨性能。
• 将HGCAL原型划分为两个等效部分，测量两部分之间的时间差，以评估其固有时间分辨性能。
• 应用基于数据推导的单通道时间分辨模型，用于模拟并与实测数据进行比较。
• 将MCP与HGCAL系统间的50皮秒抖动视为恒定且随机，以避免校准过程中的偏差。
• 采用基于协方差的模型重新评估性能，以考虑模块内时间相关性，结果表明其对最终结果影响可忽略。

实验结果

研究问题

• RQ1 当以高精度MCP参考测量时，HGCAL原型的固有时间分辨性能是多少？
• RQ2 MCP与HGCAL系统间50皮秒的抖动对整体时间性能有何影响？
• RQ3 在考虑单通道时间分辨和抖动后，HGCAL原型的时间分辨性能与模拟结果的匹配程度如何？
• RQ4 在比较HGCAL原型对称两部分时，测得的时间分辨性能是否保持稳定且一致？
• RQ5 模块内时间相关性对最终时间分辨性能估计有何影响？

主要发现

• 使用半对半比较方法测量时，HGCAL原型对正电子簇射的时间分辨性能约为~16皮秒。
• 使用MCP参考测量的时间分辨性能约为~55皮秒，其中额外包含50皮秒的MCP与HGCAL系统间抖动。
• 在考虑实测抖动后，HGCAL的固有时间分辨性能与模拟结果高度一致。
• 50皮秒的抖动被假设为恒定且随机，未对校准或性能造成影响。
• 包含抖动的完整模拟与实测数据在~10皮秒内一致，证实了时间模型的鲁棒性。
• 本研究证实了在HL-LHC最终HGCAL设计中实现O(10皮秒)时间分辨性能的可行性。