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Title: Emulating the impact of additional proton–proton interactions in the ATLAS simulation by presampling sets of inelastic Monte Carlo events
Abstract The accurate simulation of additional interactions at the ATLAS experiment for the analysis of proton–proton collisions delivered by the Large Hadron Collider presents a significant challenge to the computing resources. During the LHC Run 2 (2015–2018), there were up to 70 inelastic interactions per bunch crossing, which need to be accounted for in Monte Carlo (MC) production. In this document, a new method to account for these additional interactions in the simulation chain is described. Instead of sampling the inelastic interactions and adding their energy deposits to a hard-scatter interaction one-by-one, the inelastic interactions are presampled, independent of the hard scatter, and stored as combined events. Consequently, for each hard-scatter interaction, only one such presampled event needs to be added as part of the simulation chain. For the Run 2 simulation chain, with an average of 35 interactions per bunch crossing, this new method provides a substantial reduction in MC production CPU needs of around 20%, while reproducing the properties of the reconstructed quantities relevant for physics analyses with good accuracy.  more » « less
Award ID(s):
2111046
NSF-PAR ID:
10321955
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Computing and Software for Big Science
Volume:
6
Issue:
1
ISSN:
2510-2036
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract

    A description is presented of the algorithms used to reconstruct energy deposited in the CMS hadron calorimeter during Run 2 (2015–2018) of the LHC. During Run 2, the characteristic bunch-crossing spacing for proton-proton collisions was 25 ns, which resulted in overlapping signals from adjacent crossings. The energy corresponding to a particular bunch crossing of interest is estimated using the known pulse shapes of energy depositions in the calorimeter, which are measured as functions of both energy and time. A variety of algorithms were developed to mitigate the effects of adjacent bunch crossings on local energy reconstruction in the hadron calorimeter in Run 2, and their performance is compared.

     
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  2. Abstract

    The Pixel Luminosity Telescope is a silicon pixel detector dedicated to luminosity measurement at the CMS experiment at the LHC. It is located approximately 1.75 m from the interaction point and arranged into 16 “telescopes”, with eight telescopes installed around the beam pipe at either end of the detector and each telescope composed of three individual silicon sensor planes. The per-bunch instantaneous luminosity is measured by counting events where all three planes in the telescope register a hit, using a special readout at the full LHC bunch-crossing rate of 40 MHz. The full pixel information is read out at a lower rate and can be used to determine calibrations, corrections, and systematic uncertainties for the online and offline measurements. This paper details the commissioning, operational history, and performance of the detector during Run 2 (2015–18) of the LHC, as well as preparations for Run 3, which will begin in 2022.

     
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  3. Ultra-high-energy (UHE) photons are an important tool for studying the high-energy Universe. A plausible source of photons with exa-eV (EeV) energy is provided by UHE cosmic rays (UHECRs) undergoing the Greisen–Zatsepin–Kuzmin process (Greisen 1966; Zatsepin & Kuzmin 1966) or pair production process (Blumenthal 1970) on a cosmic background radiation. In this context, the EeV photons can be a probe of both UHECR mass composition and the distribution of their sources (Gelmini, Kalashev & Semikoz 2008; Hooper, Taylor & Sarkar 2011). At the same time, the possible flux of photons produced by UHE protons in the vicinity of their sources by pion photoproduction or inelastic nuclear collisions would be noticeable only for relatively near sources, as the attenuation length of UHE photons is smaller than that of UHE protons; see, for example, Bhattacharjee & Sigl (2000) for a review. There also exists a class of so-called top-down models of UHECR generation that efficiently produce the UHE photons, for instance by the decay of heavy dark-matter particles (Berezinsky, Kachelriess & Vilenkin 1997; Kuzmin & Rubakov 1998) or by the radiation from cosmic strings (Berezinsky, Blasi & Vilenkin 1998). The search for the UHE photons was shown to be the most sensitive method of indirect detection of heavy dark matter (Kalashev & Kuznetsov 2016, 2017; Kuznetsov 2017; Kachelriess, Kalashev & Kuznetsov 2018; Alcantara, Anchordoqui & Soriano 2019). Another fundamental physics scenario that could be tested with UHE photons (Fairbairn, Rashba & Troitsky 2011) is the photon mixing with axion-like particles (Raffelt & Stodolsky 1988), which could be responsible for the correlation of UHECR events with BL Lac type objects observed by the High Resolution Fly’s Eye (HiRes) experiment (Gorbunov et al. 2004; Abbasi et al. 2006). In most of these scenarios, a clustering of photon arrival directions, rather than diffuse distribution, is expected, so point-source searches can be a suitable test for photon - axion-like particle mixing models. Finally, UHE photons could also be used as a probe for the models of Lorentz-invariance violation (Coleman & Glashow 1999; Galaverni & Sigl 2008; Maccione, Liberati & Sigl 2010; Rubtsov, Satunin & Sibiryakov 2012, 2014). The Telescope Array (TA; Tokuno et al. 2012; Abu-Zayyad et al. 2013c) is the largest cosmic ray experiment in the Northern Hemisphere. It is located at 39.3° N, 112.9° W in Utah, USA. The observatory includes a surface detector array (SD) and 38 fluorescence telescopes grouped into three stations. The SD consists of 507 stations that contain plastic scintillators, each with an area of 3 m2 (SD stations). The stations are placed in the square grid with 1.2 km spacing and cover an area of ∼700 km2. The TA SD is capable of detecting extensive air showers (EASs) in the atmosphere caused by cosmic particles of EeV and higher energies. The TA SD has been operating since 2008 May. A hadron-induced EAS significantly differs from an EAS induced by a photon because the depth of the shower maximum Xmax for a photon shower is larger, and a photon shower contains fewer muons and has a more curved front (see Risse & Homola 2007 for a review). The TA SD stations are sensitive to both muon and electromagnetic components of the shower and therefore can be triggered by both hadron-induced and photon-induced EAS events. In the present study, we use 9 yr of TA SD data for a blind search for point sources of UHE photons. We utilize the statistics of the SD data, which benefit from a high duty cycle. The full Monte Carlo (MC) simulation of proton-induced and photon-induced EAS events allows us to perform the photon search up to the highest accessible energies, E ≳ 1020 eV. As the main tool for the present photon search, we use a multivariate analysis based on a number of SD parameters that make it possible to distinguish between photon and hadron primaries. While searches for diffuse UHE photons were performed by several EAS experiments, including Haverah Park (Ave et al. 2000), AGASA (Shinozaki et al. 2002; Risse et al. 2005), Yakutsk (Rubtsov et al. 2006; Glushkov et al. 2007, 2010), Pierre Auger (Abraham et al. 2007, 2008a; Bleve 2016; Aab et al. 2017c) and TA (Abu-Zayyad et al. 2013b; Abbasi et al. 2019a), the search for point sources of UHE photons has been done only by the Pierre Auger Observatory (Aab et al. 2014, 2017a). The latter searches were based on hybrid data and were limited to the 1017.3 < E < 1018.5 eV energy range. In the present paper, we use the TA SD data alone. We perform the searches in five energy ranges: E > 1018, E > 1018.5, E > 1019, E > 1019.5 and E > 1020 eV. We find no significant evidence of photon point sources in all energy ranges and we set the point-source flux upper limits from each direction in the TA field of view (FOV). The search for unspecified neutral particles was also previously performed by the TA (Abbasi et al. 2015). The limit on the point-source flux of neutral particles obtained in that work is close to the present photon point-source flux limits. 
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  4. Abstract Jet energy scale and resolution measurements with their associated uncertainties are reported for jets using 36–81 fb $$^{-1}$$ - 1 of proton–proton collision data with a centre-of-mass energy of $$\sqrt{s}=13$$ s = 13   $${\text {Te}}{\text {V}}$$ TeV collected by the ATLAS detector at the LHC. Jets are reconstructed using two different input types: topo-clusters formed from energy deposits in calorimeter cells, as well as an algorithmic combination of charged-particle tracks with those topo-clusters, referred to as the ATLAS particle-flow reconstruction method. The anti- $$k_t$$ k t jet algorithm with radius parameter $$R=0.4$$ R = 0.4 is the primary jet definition used for both jet types. This result presents new jet energy scale and resolution measurements in the high pile-up conditions of late LHC Run 2 as well as a full calibration of particle-flow jets in ATLAS. Jets are initially calibrated using a sequence of simulation-based corrections. Next, several in situ techniques are employed to correct for differences between data and simulation and to measure the resolution of jets. The systematic uncertainties in the jet energy scale for central jets ( $$|\eta |<1.2$$ | η | < 1.2 ) vary from 1% for a wide range of high- $$p_{{\text {T}}}$$ p T jets ( $$2502.5~{\text {Te}}{\text {V}}$$ > 2.5 TeV ). The relative jet energy resolution is measured and ranges from ( $$24 \pm 1.5$$ 24 ± 1.5 )% at 20  $${\text {Ge}}{\text {V}}$$ GeV to ( $$6 \pm 0.5$$ 6 ± 0.5 )% at 300  $${\text {Ge}}{\text {V}}$$ GeV . 
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  5. Abstract

    Protons consist of three valence quarks, two up-quarks and one down-quark, held together by gluons and a sea of quark-antiquark pairs. Collectively, quarks and gluons are referred to as partons. In a proton-proton collision, typically only one parton of each proton undergoes a hard scattering – referred to as single-parton scattering – leaving the remainder of each proton only slightly disturbed. Here, we report the study of double- and triple-parton scatterings through the simultaneous production of three J/ψmesons, which consist of a charm quark-antiquark pair, in proton-proton collisions recorded with the CMS experiment at the Large Hadron Collider. We observed this process – reconstructed through the decays of J/ψmesons into pairs of oppositely charged muons – with a statistical significance above five standard deviations. We measured the inclusive fiducial cross-section to be$$27{2}_{-104}^{+141}\,{{{\rm{(stat)}}}}\,\pm 17\,{{{\rm{(syst)}}}}\,{{{\rm{fb}}}}\,$$272104+141(stat)±17(syst)fb, and compared it to theoretical expectations for triple-J/ψmeson production in single-, double- and triple-parton scattering scenarios. Assuming factorization of multiple hard-scattering probabilities in terms of single-parton scattering cross-sections, double- and triple-parton scattering are the dominant contributions for the measured process.

     
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