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Time resolution of the ALICE Time-Of-Flight detector with the first Run 3 pp collisions at ${\bf \sqrt{\textit{s}} = 13.6}$ TeV

本文通过使用 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 下的 2022 年 pp 对撞数据，展示了升级后的 ALICE 飞行时间探测器的运行、校准与性能，证明其时间分辨率优于 80 ps，从而显著增强了 Run 3 及之后的粒子鉴别能力。

原作者： ALICE Collaboration

发布于 2026-09-29

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CC BY 4.0

原作者： ALICE Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在大型强子对撞机的心脏地带，一个埋在法国与瑞士边界之下的巨大环形装置中，质子被加速到接近光速的速度，然后被撞击在一起。这些碰撞重现了宇宙大爆炸后瞬间那极高的热量与密度，创造出一种由基本粒子组成的转瞬即逝的“汤”。为了理解这些仅持续瞬间发生的事件中究竟发生了什么，科学家必须精确识别出哪些粒子是从撞击中诞生的。这是一项极高精度的任务：要将质子从派介子（pion）或卡介子（kaon）中区分出来，因为它们都是不同类型的物质，但在穿过探测器时看起来几乎一模一样。区分它们的关键在于测量它们的运动速度。由于所有粒子都以接近光速的速度飞行，即使质量上的微小差异，也会意味着它们到达探测器的时间略有不同。通过测量粒子飞行已知距离所需的时间，物理学家就可以计算出其速度，并进而确定其身份。这一过程被称为粒子识别，是ALICE实验研究这些碰撞中所产生的致密物质的基础。

作为对撞机的主要仪器之一，ALICE探测器高度依赖于一个名为飞行时间探测器（Time-of-Flight detector，简称TOF）的组件来执行这种时间测量。十多年来，该系统成功地帮助科学家们对碰撞产生的碎片进行了分类。然而，由于对撞机最近进行了重大升级，以增加其能够产生的碰撞数量，这要求探测器必须以比以往快得多的速率记录数据。为了应对这一新挑战，ALICE团队对TOF探测器的电子设备和数据处理系统进行了彻底的改造。他们用一个连续读取系统取代了旧的触发系统（旧系统会等待特定信号才开始记录），这个新系统会不断记录每一次“命中”，就像相机是在拍摄视频而非一系列快照一样。本文报告了这一新升级系统在能量为13.6 TeV的质子-质子碰撞首次运行中的性能表现。研究人员旨在验证这个新的、更快的系统是否仍能以区分不同类型粒子所需的极高精度来测量时间。

团队分析了2022年收集的数据，通过观察数十亿个碰撞事件来测试探测器的时间精度。他们采用了两种独立的独立方法来测量分辨率，即探测器区分两个非常接近的到达时间的能力。第一种方法比较了同一次碰撞事件中两种不同粒子的到达时间。通过观察这两个时间之间的差异，研究人员可以抵消与碰撞发生的准确时刻相关的误差，从而分离出探测器本身的精度。第二种方法则使用了位于探测器其他位置的一个独立的、高精度的计时系统来确定碰撞发生的准确时刻，然后将TOF的测量结果与这个已知的起始时间进行对比。这两种方法都要求研究人员考虑到探测器的响应时间可能会根据接收到的电信号大小而略有变化，他们利用详细的校准数据对这一现象进行了修正。

结果证实，升级后的系统表现极其出色。两种测量方法得出的结果一致，表明探测器现在能够以优于80皮秒（picoseconds）的精度分辨时间差。皮秒是万亿分之一秒；为了直观理解，光在这么短的时间内仅能飞行约三厘米。这种精度的水平至关重要，因为它使ALICE实验能够识别具有更高动量的粒子，从而扩展了他们可以研究的物理范围。研究人员指出，虽然目前的性能已经非常优秀，但随着他们继续完善校准程序并更好地理解探测器在这些新运行条件下的行为，仍有改进的空间。他们预计，通过进一步的调优，该系统最终可能达到更精细的分辨率，甚至有望匹配在上一运行周期结束时，重离子碰撞所达到的56皮秒的性能。

升级后的TOF探测器的成功运行表明，ALICE合作组已有效地适应了新的、高速率数据采集环境的需求。向连续读取模式的转变，结合探测器电子设备的翻新以及数据处理新软件的开发，已被证明是一种稳健的解决方案。论文总结道，该探测器完全有能力支持当前及未来阶段实验所需的复杂粒子识别任务。这一成就确保了ALICE探测器仍然是探索物质基本属性的一流工具，使科学家能够以全新的精度和能力，继续对宇宙本质进行深入研究。

技术摘要：Run 3 阶段 ALICE 飞行时间探测器的时间分辨率

问题与背景
ALICE 实验高度依赖精确的粒子识别（PID）来研究强相互作用物质的性质。飞行时间（TOF）探测器对于在中间横动量范围（ $0.5 < p_T < 4$ GeV/c）内区分带电粒子至关重要。在第二次长停机（LS2, 2019–2021）之后，ALICE 探测器进行了重大升级，以适应 Run 3 更高的相互作用速率（pp 碰撞高达 1 MHz，Pb–Pb 碰撞为 50 kHz）。这使得读出模式从触发式读出转向了连续读出范式。本文解决的主要技术挑战是验证升级后的 TOF 探测器在新的连续读出条件下（使用 2022 年 $\sqrt{s} = 13.6$ TeV 的 pp 碰撞数据）的性能，特别是其时间分辨率。

方法论
该分析利用了在平均相互作用速率为 500 kHz 下收集的约 $10^9$ 个事件。由内径迹探测器（ITS）和时间投影室（TPC）重建的高质量径迹被传播至 TOF 探测器。研究采用了两种独立的方案来估算时间分辨率，两者均利用指数修正高斯（EMG）或双重 EMG 分布，以处理观测到的非高斯尾部。

双径迹差值法 ( $\Delta\Delta t_{TOF}$ )：这种自洽的方法计算同一事件内两条径迹之间飞行时间残差的差异。通过在定义的运动学区域（ $600 < p < 700$ MeV/c）内选择一条“参考”径迹，并在不同动量下选择一条“探测”径迹，该方法可以在不需要已知绝对事件碰撞时间（ $t_{ev}$ ）的情况下分离出 TOF 分辨率。通过对参考分辨率进行平方和根下的减法，提取出最终分辨率。
事件碰撞时间法：这种经典方法利用了由快速相互作用触发器（FT0）探测器（结合了 FT0A 和 FT0C 模块的时间）提供的事件时间（ $t_{ev}^{FT0}$ ）。分辨率是从 $t_{TOF} - t_{exp} - t_{ev}^{FT0}$ 的分布中导出的，其中 $t_{exp}$ 是基于径迹长度和动量的预期飞行时间。该方法假设在较高动量（ $1.4 < p < 1.5$ GeV/c）下，径迹追踪的不确定性变得可以忽略不计。

校准程序分为三个阶段实施：用于活跃通道图的 DCS 校准、在事件处理节点（EPN）上的同步校准，以及异步离线校准。基于时间过阈（ToT）测量应用了时间偏斜（time-slewing）校正，以补偿信号上升时间的依赖性。

主要贡献

运行验证：本文展示了全升级后的 ALICE TOF 探测器在连续读出模式下运行的首次全面性能评估。
校准框架：详细介绍了多级校准链的实现，包括源自 ToT 的时间偏斜校正，这对于在高速率环境下保持分辨率至关重要。
双方法分辨率测量：作者通过两种不同的方法对探测器的时间分辨率进行了稳健的交叉检查，两种方法得出了相一致的结果，验证了新读出和重建算法的可靠性。
噪声特性描述：研究证实，即使在连续读出方案中，探测器噪声水平也保持在受控范围内（ $\approx 0.1$ Hz/cm $^2$ ），这一点通过分析命中数与 LHC 束流交叉模式的关系得到了确认。

结果
两种测量方法均得出了优于 80 ps 的一致时间分辨率：

使用双径迹差值法，对于 $1.4 < p < 1.5$ GeV/c 且 $|\eta| < 0.5$ 的径迹，测得 TOF 分辨率为 74.7 $\pm$ 2.3 ps。
使用 FT0 事件时间法，在相同的动量和伪快度范围内，发现分辨率为 72.8 $\pm$ 0.5 ps。在全 $\eta$ 范围内取平均值后，分辨率为 77.9 $\pm$ 0.8 ps。
分析表明，在动量高于 $\sim 1$ GeV/c 时，来自径迹追踪的不确定性贡献变得可以忽略不计，从而使内在 TOF 分辨率占据主导地位。
跨 $\eta$ 和 $\phi$ 切片的微分分析显示，虽然平均时间偏移是稳定的，但分辨率在较高的 $|\eta|$ 处略有下降，这归因于这些区域径迹质量的残余缺陷。

意义
论文声称，所实现的（优于 80 ps 的）时间分辨率达到了 TOF 技术设计报告中设定的目标。这一性能证实了 ALICE 协作组在连续读出模式下维持可靠 PID 的能力，这是 Run 3 所必需的。作者指出，虽然目前的性能已经非常出色，但随着探测器调试的持续进行和校准程序的完善，预计还会有进一步的提升。最终目标是接近 Run 2 结束时在 Pb–Pb 碰撞中实现的 $\sim 56$ ps 分辨率，从而增强未来重离子和小型系统物理分析的 PID 能力。该成功部署也献给探测器的奠基性贡献者 Andrea Alici 教授。

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