LHCb实验中测量粒子识别性能的校准样品

在欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机的地下深处，质子束在迎面相撞之前以几乎光速的速度绕着圆圈运动。这些高能碰撞产生大量微小的短命粒子，这些粒子迅速衰变为更轻、更稳定的粒子。研究这些粒子的衰变可以让物理学家们瞥见宇宙的早期历史。

捕捉高能粒子衰变的信息是一项巨大的技术挑战，这需要使用围绕碰撞点构建的巨大三维探测器。当粒子产生并通过探测器时，会留下它们存在的痕迹。由于粒子太小，肉眼看不见，科学家必须测量和解释这些痕迹，以确定它们的身份。

轨迹提供的粒子识别（PID）信息用作每个粒子的护照照片。不同的粒子有相当不同的PID护照。例如，电子和它们的重子μ留下的痕迹看起来很不一样。

由夸克组成的粒子，比如π介子和K介子，即使它们的轨迹更相似，探测器也能很好地分辨出来。对于任何粒子物理实验来说，准确理解探测器对不同粒子的分辨能力是至关重要的。在大型强子对撞机美丽实验（LHCb）中，这个过程称为PID校准。

测量颗粒识别精度

要测量PID的精度，必须从已知其身份的粒子样本开始，而不必查看它们的PID护照。特殊类型的粒子衰变，不需要PID信息就可以实时重建、选择和存储，只需提供这样的样本。

在LHCb中，每秒都会发生数千次这样的衰变，在拒绝大量背景事件的同时，能够快速地选择它们是很重要的。这是通过使用LHCb触发器框架选择校准样本来实现的，该框架使用高质量算法重建衰变，以便数据在随后的分析中立即可用。

使用这些PID校准样本，可以精确测量LHCb在区分粒子类型方面有多好。

例如，可以对μ子的校准样本应用PID要求，并计算通过该要求的μ子的百分比；这就是PID效率。我们还可以对π介子的校准样本应用相同的PID要求，并计算被错误地识别为μ介子的π介子的百分比；这是错误识别率。综合起来，PID的效率和误辨识率决定了PID的性能。

在进行物理测量时，准确测量这一性能是至关重要的，例如在寻找极为罕见的B介子衰变Bs0到μ+μ时。这种衰减涉及两个μ子，含有π子的背景必须在很高的水平上被拒绝，以便隔离和正确识别信号。

我们的方法

在EPJ技术与仪器发表的研究报告中，我们介绍了在LHCb实验（2015-2018）第2次运行期间，用于触发选择和处理PID校准样品的策略。我们描述了用于从所选校准样本中统计减去背景事件的框架，以便为分析人员提供可用于测量PID性能的纯衰变样本。基于Python的工具已经提供给所有LHCb分析师，使他们能够轻松地测量PID效率和错误识别率。这确保了该方法在许多不同物理测量中的连续性。

如果没有优异的PID性能，LHCb将无法在风味物理前沿进行世界领先的测量。在运行2期间实施的PID校准框架将继续为LHCb提供良好的服务，进入升级时代，数据将以比以往任何时候都更高的能量和速率收集。我们希望本文中所描述的工作将有助于保证从LHCb获得更多年的高质量物理结果。