Precision luminosity measurement in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV with the CMS detector at the Large Hadron Collider

Résumé technique : Mesure de précision de la luminosité dans les collisions proton-proton à 13 TeV avec le détecteur CMS

Énoncé du problème
La découverte d'une nouvelle physique fondamentale nécessite la détection de déviations subtiles entre les prédictions théoriques et les données expérimentales. La précision de cette comparaison est fondamentalement limitée par la connaissance de la luminosité intégrée ($L$), qui quantifie le nombre total d'interactions de particules délivrées par un collisionneur. Pour l'expérience CMS (Compact Muon Solenoid) au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), l'incertitude sur la luminosité a été historiquement une erreur systématique dominante dans de nombreuses analyses de physique. Alors que l'objectif de conception initial pour l'incertitude systématique était de 5 %, l'évolution du LHC en un instrument de précision a nécessité une précision de plus en plus stricte. Atteindre une précision sub-percent est crucial pour exploiter pleinement la portée physique du LHC, particulièrement alors que l'installation évolue vers l'ère du HL-LHC (High-Luminosity LHC), où les conditions de haute pileup rendront la détermination précise encore plus difficile.

Méthodologie
Cet article rend compte de la mesure de la luminosité intégrée pour les collisions proton-proton ($pp$) à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s} = 13$ TeV, enregistrées par CMS durant les périodes de prise de données 2017 et 2018 (Run 2). La mesure repose sur la méthode de calibration van der Meer (vdM), qui détermine la section efficace visible ($\sigma_{\text{vis}}$) en analysant des balayages de séparation de faisceaux transversaux. La luminosité instantanée est calculée comme $L_{\text{inst}}(t) = R(t) / \sigma_{\text{vis}}$, où $R(t)$ est le taux mesuré par des luminomètres dédiés.

L'analyse emploie une suite complète de corrections et de techniques de validation pour minimiser les incertitudes systématiques :

1. Luminomètres : La mesure utilise quatre luminomètres indépendants : le calorimètre Hadron Forward (HF) (utilisant à la fois les algorithmes d'occupation, HFOC, et de somme d'énergie transverse, HFET), le Pixel Luminosity Telescope (PLT), et le comptage de clusters de pixels (PCC) dans le traqueur de silicium. Ceux-ci fournissent des mesures redondantes à travers différents intervalles de pseudo-rapidité et technologies.
2. Corrections de calibration vdM : La détermination de $\sigma_{\text{vis}}$ implique des corrections rigoureuses pour plusieurs effets physiques et instrumentaux :
   • Interactions faisceau-faisceau : Des corrections pour la déflexion faisceau-faisceau (décalage cohérent) et l'effet dynamique-$\beta$ (effet optique incohérent) sont appliquées en utilisant des simulations multi-particules (codes B*B et COMBI).
   • Position et dérive de l'orbite : Les décalages systématiques des orbites de faisceau dus à l'hystérésis des aimants et aux dérives aléatoires sont corrigés en utilisant les données des moniteurs de position de faisceau (BPM) (à la fois les BPM DOROS et les BPM d'arc). Une approche novatrice sépare les dérives linéaires des dérives non linéaires résiduelles pour améliorer la précision.
   • Calibration de l'échelle de longueur : Une approche en deux étapes est introduite pour calibrer la longueur de séparation de faisceau. Elle combine les mesures BPM avec le système de coordonnées du traqueur CMS, en utilisant des balayages à pas constant (cLS) et à pas variable (vLS) pour minimiser les incertitudes liées à la dérive d'orbite et aux non-linéarités magnétiques.
   • Factorisation transverse : L'hypothèse selon laquelle les densités de protons des faisceaux se factorisent en distributions $x$ et $y$ indépendantes est testée et corrigée à l'aide de deux méthodes indépendantes : une analyse de région lumineuse (LR) (reconstruction des distributions de sommets) et une méthode de ajustement de taux 2D (2D-RF) utilisant des balayages hors axe.
   • Intensité de paquet et bruit de fond : Des corrections sont appliquées pour les charges « fantômes » et « satellites » (protons parasites ne participant pas aux collisions) ainsi que pour les taux de bruit de fond provenant des interactions faisceau-gaz et du bruit du détecteur.
3. Corrections de taux pour les conditions de haute luminosité : Pour extrapoler la calibration vdM (effectuée à faible luminosité) aux conditions standard de prise de données de physique (haute luminosité), des corrections sont appliquées pour :
   • Effets hors temps (OOT) : Le débordement de signal des paquets précédents et l'après-coup (afterglow) dû à l'activation du détecteur.
   • Non-linéarité et efficacité : La non-linéarité de la réponse du détecteur et la dégradation de l'efficacité au cours du temps (du fait des dommages par irradiation) sont surveillées en utilisant des « scans d'émittance » effectués lors de remplissages réguliers.
4. Validation croisée : La stabilité de la mesure de luminosité au cours du temps est validée par le taux de production de bosons $Z$ se désintégrant en paires de muons ($Z \to \mu^+\mu^-$), un processus possédant une section efficace bien connue servant de proxy de luminosité indépendant.

Contributions clés

• Précision sub-percent : L'article atteint une précision de luminosité intégrée totale de 0,73 % pour l'ensemble du jeu de données combiné 2015–2018 du Run 2. Cela marque la mesure de luminosité la plus précise jamais réalisée pour un collisionneur de hadrons à faisceaux groupés.
• Contrôle raffiné des incertitudes systématiques : Les améliorations significatives par rapport aux résultats précédents (ex. : Réf. [13], [23], [24]) sont attribuées à :
  • Une meilleure compréhension des effets faisceau-faisceau et de leurs incertitudes associées.
  • Un traitement amélioré de la non-factorisation des densités de protons dans les coordonnées transverses.
  • L'introduction d'une méthode de calibration de l'échelle de longueur en deux étapes.
  • Des corrections affinées pour les dérives d'orbite résiduelles et les effets de taux spécifiques au détecteur.
• Contre-vérifications indépendantes : La combinaison de quatre luminomètres calibrés indépendamment (HFET, HFOC, PLT, PCC) fournit une contre-vérification rigoureuse, réduisant l'incertitude globale par moyennage.
• Stabilité à long terme : La cohérence de la mesure à travers les années est validée de manière concluante par les taux de bosons $Z$, confirmant la stabilité de la calibration malgré l'évolution des conditions de fonctionnement.

Résultats

• Données 2017 : La luminosité intégrée pour les données de physique de haute qualité à haute pileup est mesurée à $42,07 \pm 0,34 \text{ fb}^{-1}$ (incertitude de 0,81 %). Une quantité supplémentaire de $0,2113 \pm 0,0019 \text{ fb}^{-1}$ a été collectée à faible pileup ($\sim 3$).
• Données 2018 : La luminosité intégrée pour les données de haute pileup est de $59,56 \pm 0,49 \text{ fb}^{-1}$ (incertitude de 0,83 %).
• Run 2 combiné (2015–2018) : La luminosité intégrée totale pour les données de haute qualité à haute pileup est de $140,22 \pm 1,02 \text{ fb}^{-1}$, avec une précision relative de 0,73 %.
• Répartition des incertitudes : La source dominante d'incertitude pour les deux années est la non-linéarité résiduelle de la réponse du détecteur lors de l'extrapolation des conditions vdM vers les conditions de physique. Les incertitudes de normalisation (calibration vdM) et les incertitudes d'intégration (linéarité et cohérence) contribuent de manière comparable au budget total d'erreur.

Signification
L'article affirme que franchir le seuil de précision sub-percent affine fondamentalement la capacité de tester le Modèle Standard et établit une base de référence vitale pour la prochaine ère du HL-LHC. En réduisant l'incertitude sur la luminosité à 0,73 %, la collaboration CMS a établi un nouveau record pour les collisionneurs de hadrons à faisceaux groupés. Cette précision est essentielle pour contraindre la nouvelle physique et améliorer l'exactitude des mesures de section efficace. Les auteurs notent que si la calibration vdM a atteint sa cible sub-percent, l'extrapolation vers les conditions de physique standard (intégration) reste la principale source d'incertitude et nécessitera des améliorations méthodologiques supplémentaires pour relever les défis du HL-LHC.