星辰大海背后的测量学 

来源：知社学术圈

在最新发表于EPJ Techniques and Instrumentation杂志的研究中，Marianna Fontana和Donal Hill描述了一种创建校准样品的方法，这种方法有助于确定大型强子对撞机底夸克实验中探测器识别不同粒子的准确性。

原文作者：Donal Hill & Marianna Fontana

在欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机之下，质子束以接近光速的速度绕行，然后正面相撞。这些高能碰撞产生大量微小的、寿命较短的粒子，这些粒子很快衰变为更轻、更稳定的粒子。研究这些粒子衰变使物理学家得以一瞥宇宙的早期历史。

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3D探测器。当粒子产生并通过探测器时，它们会留下存在过的轨迹。由于粒子太过微小而肉眼不可见，科学家必须测量和解释这些轨迹，以确定粒子的属性。

轨迹所提供的粒子识别(PID)信息可作为每个粒子的“证件照”。不同的粒子有不同的PID身份证。例如，电子和它们更重的兄弟μ介子所产生的轨迹就看起来非常不同。

由夸克构成的粒子，如7介子和K介子，也可以被探测器很好地分辨出来，尽管它们的轨迹更为相似。对于任何粒子物理实验来说，准确地理解探测器如何区分不同的粒子都是至关重要的。在大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)中，这个过程被称为PID校准。

要测量PID的准确性，必须从已知的粒子样品开始，而不需要核对它们的PID身份证。特殊类型的粒子衰变，无需PID信息即可实时重建、选择和存储，正是所需的已知样品。

在LHCb实验中，每秒钟就会发生数千次这样的衰变，从大量同时发生的背景事件中快速地筛选它们是很重要的。这一过程是通过使用LHCb触发框架选择校准样本实现的，可以使用高质量的算法重现衰减，所产生的数据可以立即用于后续分析。

利用这些PID校准样本，可以精确地测量LHCb区分粒子类型的能力。

例如将某一PID条件应用于μ介子校准样本，并计算通过该要求的μ介子百分比，这便是PID效率。也可以将相同的PID条件应用于7介子的校准样本，并计算被错误标识为7介子的百分比，得出的便是误识率。PID效率和误识率合起来就能确定PID的性能。

在进行物理测量时准确地测量性能是至关重要的,例如在寻找极其罕见的B介子使Bs0衰变为μ+ μ–。这种衰变包括两种μ介子，必须在非常高的水平上排除含有7介子的背景，以便分离并正确识别信号。

在EPJ Techniques and Instrumentation上发表的研究中，我们提出了LHCb第二轮实验(2015-2018)中用于PID校准样品触发选择和处理的策略。我们描述了用于从选定的校准样品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性能的衰减纯样本。所有的LHCb分析人员都可以使用基于python的工具，使他们能够轻松地测量PID效率和误识别率。这确保了在许多不同物理测量中所用方法的连续性。

如果没有良好的PID性能，LHCb将无法在“风味物理”前沿进行世界领先的测量。在第二轮实验期间实施的PID校准框架将继续为LHCb提供良好的服务，直到一个更高级的时代来临，那时数据将以比以往更高的能量和速度收集。我们希望本文所描述的研究将有助于保证LHCb多年来高质量的物理结果。

EPJ Techniques and Instrumentation

doi:10.1140/epjti/s40485-019-0050-z