ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 46-52
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 53.089.6+539.1.07
КАЛИБРОВКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАЛОРИМЕТРА ЭКСПЕРИМЕНТА LHCb МЕТОДОМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИНВАРИАНТНОЙ МАССЫ НЕЙТРАЛЬНЫХ п-МЕЗОНОВ © 2014 г. И. М. Беляев*, Д. Ю. Голубков*, В. Ю. Егорычев**, Д. В. Саврина*, **
*ГНЦРФ "Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова" Россия, 117218, Москва, Б.Черемушкинская ул., 25 **НИИядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Россия, 119992, Москва, Ленинские горы, 1, стр. 2 E-mail: Daria.Savrina@cern.ch Поступила в редакцию 26.02.2013 г.
Целью калибровки электромагнитного калориметра эксперимента LHCb является измерение энергий электронов и фотонов с точностью не хуже 2%. Для этого последовательно используются несколько методов, одним из которых является метод восстановления инвариантной массы п0-мезона в распаде на два фотона. Процедура позволяет провести калибровку электромагнитного калориметра в диапазоне поперечных энергий от 300 до 1500 МэВ. Ее важным достоинством является независимость от состояния остальных систем спектрометра LHCb, а большое сечение рождения нейтральных п-мезонов в глубоконеупругих столкновениях позволяет быстро набрать статистику, достаточную для достижения заявленных целей. Алгоритм реализован в рамках программного обеспечения эксперимента LHCb. Процесс калибровки нейтральными п-мезонами занимает не более двух недель и позволяет достичь требуемой точности.
DOI: 10.7868/S0032816213060189
1. ВВЕДЕНИЕ
Калориметрическая система эксперимента LHCb [1] состоит из четырех подсистем: детектора на основе сцинтилляционных пластин (SPD), предливневого детектора (PRS), электромагнитного калориметра (ECAL) и адронного калориметра (HCAL). Прибор расположен на расстоянии 12.5 м от точки взаимодействия протонных пучков и имеет поперечный размер 7.76 х 6.30 м, исключая область в телесном угле 9Х, y < 30 мрад вокруг оси пучка. Электромагнитный калориметр построен по технологии "шашлык" [2]. Он собран из модулей, состоящих из перемежающихся слоев свинца и сцинтиллятора. Слои ориентированы перпендикулярно оси пучка. Суммарная толщина слоев в модуле составляет ~42 мм, что соответствует 25 радиационным длинам. Для уменьшения числа каналов считывающей электроники электромагнитный калориметр разбит на три зоны: внешнюю, среднюю и внутреннюю. Модули в каждой из зон имеют одинаковые конструкцию и размеры, однако отличаются количеством регистрирующих ячеек. Модули во внешней, средней и внутренней зонах содержат по одной, четыре и девять ячеек соответственно. Общее число ячеек в электромагнитном калориметре составляет 6016. Све-тосбор осуществляется при помощи спектросме-
щающих оптических волокон, пронизывающих каждую ячейку и собирающих сцинтилляцион-ный свет на фотоэлектронный умножитель (ф.э.у.) [3]. Для оцифровки полученного сигнала используются 12-битные аналого-цифровые преобразователи. Динамическая шкала поперечной энергии для каждого канала выбрана от 0 до 12 ГэВ. Каждая ячейка характеризуется собственным адресом, однозначно определяющим подсистему, зону, ряд и столбец, в котором она находится. Проектное энергетическое разрешение калориметра составляет [4]
^^ = 10% © 1%
Е[ГэВ] 4Ё '
Перед сборкой энергетическое разрешение каждого из модулей было проверено на соответствие проектному в тестовом пучке [5]. Коэффициенты усиления ф.э.у. и качество работы считывающей электроники определяются при помощи системы светодиодов, установленной внутри калориметра. Для дальнейшего улучшения точности измерения энергий частиц используются несколько методов калибровки, применимых к калориметру в собранном состоянии. Они состоят в определении "калибровочных коэффициентов", на которые при реконструкции следует поправлять энерговыделение, измеренное в каждой ячейке, для получения правильного значения энергии
частицы [6]. При калибровке этими методами используются данные, поступающие с установки во время проведения эксперимента. Предварительная калибровка калориметра проводится методом сглаживания "потока энергии" (Eflow) [7]. Этот метод позволяет снизить разброс в калибровке отдельных ячеек до величины, не превышающей 4%, однако он не дает абсолютной привязки к энергии. Следующий шаг калибровки с абсолютной привязкой к энергии использует метод восстановления инвариантной массы я0-мезона в распаде на два фотона. Этот метод применялся ранее для калибровки электромагнитного калориметра эксперимента HERA-B [8], где было показано, что он позволяет быстро получить устойчивые калибровочные поправки. При этом используются только те пары фотонов, ливни от которых не накладываются друг на друга в электромагнитном калориметре.
2. КАЛИБРОВКА НЕЙТРАЛЬНЫМИ я-МЕЗОНАМИ
В эксперименте LHCb фотоны реконструируются как кластеры размером 3 х 3 ячейки в электромагнитном калориметре [9]. Процесс первичной реконструкции построен таким образом, что на центральную ячейку всегда приходится максимум энерговыделения в кластере. Более того, при малой потере энергии в предливневом детекторе зависимость между реконструированной энергией фотона и энерговыделением в центральной ячейке кластера является практически линейной. Ошибка в определении энергии фотона обусловлена, в основном, неверной калибровкой центральной ячейки кластера. Выражая массу нейтрального
я-мезона через энергии фотонов (E/ и E 2Y):
И\ = 2E/E2y(1 - cos 0YY),
где cos 0 YY — угол между импульсами фотонов, и предполагая, что измеренное значение массы сдвинуто относительно номинальной величины M по = 135 МэВ/c2 [10] за счет ошибки определения энергии только одного из фотонов, можно записать следующее выражение для сдвига массы:
ровке используется несколько иное выражение для коэффициента:
ЪИ
_П
И 0
1 ЪЕ?
2 Ey
Таким образом, чтобы привести измеренную массу я-мезона к номинальному значению, необходимо умножить энерговыделение, измеренное в центральной ячейке кластера, на калибровоч-
Е 1гие 5М 0 ный коэффициент X =-= 1.0 - 2-—. Однако
Еугес М о
У п
поскольку в центральной ячейке кластера выделяется все-таки не вся энергия фотона, при калиб-
5M о
X = 1.0--п-.
И 0
(1)
Использование этого выражения приводит к лучшей сходимости метода.
Описанная процедура нахождения коэффициента последовательно проводится для всех ячеек калориметра. Поскольку такой подход в каждом случае учитывает ошибку в определении энергии только для одного из фотонов в паре, процедура нахождения коэффициентов для всех ячеек требует многократного повторения: на каждом следующем шаге учитываются ранее найденные коэффициенты. Результирующим коэффициентом для ячейки станет
X = Х1Х2 •••XN, где N — число итераций, необходимое для достижения стабильности всех коэффициентов. Этот процесс носит название "первичных" итераций. После "первичных" итераций проводится вторичная реконструкция фотонов, в результате которой положение и энергия реконструированных кластеров могут измениться. Чтобы учесть этот эффект, калибровка повторяется еще раз. Такие итерации, каждая из которых включает в себя N "первичных" итераций и одну вторичную реконструкцию, называются "вторичными".
3. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА
Метод калибровки с помощью восстановления массы нейтральных пионов реализован в пакете КаИСа1о, являющемся частью программного обеспечения (ПО) эксперимента ЬИСЪ [11]. Процедура, описанная выше в разделе 2, разбита на несколько шагов:
♦ события реконструируются с помощью стандартных алгоритмов ПО ЬИСЪ;
♦ из реконструированных данных отбираются пары фотонов, формирующие я0-кандидат;
♦ для каждой ячейки выбираются такие я°-кан-дидаты, когда для одного из его распадных фотонов данная ячейка является центральной ячейкой кластера;
♦ для каждой ячейки вычисляется инвариантная масса выбранных фотонных пар и определяется положение пика нейтрального я-мезона;
♦ для каждой ячейки вычисляется калибровочный коэффициент согласно уравнению (1).
Все эти шаги повторяются столько раз, сколько необходимо для сходимости метода (подробно критерий сходимости описан ниже в разделе 4.2).
За отбор реконструированных фотонов и формирование из них я°-кандидатов отвечает алгоритм, написанный на языке С++. Параметры отобранных частиц сохраняются и передаются
п
П
набору модулей, написанных на языке Python [12] с использованием PyROOT [13] — расширения, предоставляющего доступ к библиотекам программы ROOT [14]. Эти модули отвечают за выполнение "первичных" итераций. Вторичная реконструкция событий с учетом полученных на первичных итерациях калибровочных коэффициентов выполняется с помощью того же алгоритма, что и отбор нейтральных я-мезонов. Имея доступ к оцифрованной информации об энергии, оставленной частицами в ячейках электромагнитного калориметра, алгоритм позволяет внести поправки на этом уровне. После этого реконструкция и отбор нейтральных я-мезонов повторяется.
3.1. Отбор нейтральных п-мезонов
Целью отбора является получение статистически значимого пика нейтрального я-мезона в каждой из ячеек калориметра. Из реконструированных данных отбираются фотоны c поперечным импульсом >250 МэВ/с. Это ограничение позволяет отсечь фоновые кандидаты, возникающие из-за шумов считывающей электроники и ложных комбинаций реальных фотонов. Требование отсутствия сигнала в детекторе из сцинтилляционных пластин напротив кластера в электромагнитном калориметре выступает как дополнительный критерий нейтральности этого кластера наряду с требованием отсутствия подходящего трека. Из отобранных фотонов формируются я0-кандидаты. При этом инвариантная масса пары фотонов не должна превышать 350 МэВ/c2, а поперечный импульс я0-канди-дата должен быть не менее 550 МэВ/c.
На стадии отбора нейтральных я-мезонов также создаются "фальшивые" фоновые кандидаты. Они образуются из используемых данных путем замены х- и у-компонент импульса фотонов на равные им по модулю, но противоположные по знаку величины. Необходимость создания такого фона объяснена ниже в разделе 3.3. К "фальшивым" фоновым кандидатам применяются те же критерии отбора, что и к настоящим, и и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.