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Title: Proton reconstruction with the CMS-TOTEM Precision Proton Spectrometer
Abstract The Precision Proton Spectrometer (PPS) of the CMS and TOTEM experiments collected 107.7 fb -1 in proton-proton (pp) collisions at the LHC at 13 TeV (Run 2). This paper describes the key features of the PPS alignment and optics calibrations, the proton reconstruction procedure, as well as the detector efficiency and the performance of the PPS simulation. The reconstruction and simulation are validated using a sample of (semi)exclusive dilepton events. The performance of PPS has proven the feasibility of continuously operating a near-beam proton spectrometer at a high luminosity hadron collider.  more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
NSF-PAR ID:
10463784
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of Instrumentation
Volume:
18
Issue:
09
ISSN:
1748-0221
Page Range / eLocation ID:
P09009
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. 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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  2. This theoretical modeling and simulation paper presents designs and projected performance of an on-chip digital Fourier transform spectrometer using a thermo-optical (TO) Michelson grating interferometer operating at∼1550 and 2000 nm for silicon-on-insulator and for germanium-on-silicon technological platforms, respectively. The Michelson interferometer arms consist of two unbalanced tunable optical delay lines operating in the reflection mode. They are comprised of a cascade connection of waveguide Bragg grating resonators (WBGRs) separated by a piece of straight waveguide with lengths designed according to the spectrometer resolution requirements. The length of eachWBGRis chosen according to the Butterworth filter technique to provide one resonant spectral profile with a bandwidth twice that of the spectrometer bandwidth. A selectable optical path difference (OPD) between the arms is obtained by shifting the notch in the reflectivity spectrum along the wavelength axis by means of a low-power TO heater stripe atop the WBGR, inducing an OPD that depends on the line position of the WBGR affected by TO switching.We examined the device performances in terms of signal recostruction in the radio-frequency (RF) spectrum analysis application at 1 GHz and at 1.5 GHz of spectrometer resolution. The investigation demonstrated that high-quality spectrum reconstruction is obtained for both Lorentzian and arbitrary input signals with a bandwidth up to 40 GHz. We also show that spectrum reconstruction of 100–200 GHz RF band input signals is feasible in the Ge-on-Si chips. 
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  3. Abstract

    A generic search is presented for the associated production of a Z boson or a photon with an additional unspecified massive particle X,$${\textrm{pp}}\rightarrow {\textrm{pp}} +{{\textrm{Z}}}/\upgamma +{{\textrm{X}}} $$pppp+Z/γ+X, in proton-tagged events from proton–proton collisions at$$\sqrt{s}=13\, \textrm{TeV}$$s=13TeV, recorded in 2017 with the CMS detector and the CMS-TOTEM precision proton spectrometer. The missing mass spectrum is analysed in the 600–1600 GeV range and a fit is performed to search for possible deviations from the background expectation. No significant excess in data with respect to the background predictions has been observed. Model-independent upper limits on the visible production cross section of$${\textrm{pp}}\rightarrow {\textrm{pp}} +{{\textrm{Z}}}/\upgamma +{{\textrm{X}}} $$pppp+Z/γ+Xare set.

     
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  4. null (Ed.)
    A bstract A search for a light pseudoscalar Higgs boson (a) decaying from the 125 GeV (or a heavier) scalar Higgs boson (H) is performed using the 2016 LHC proton-proton collision data at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 35 . 9 fb − 1 , collected by the CMS experiment. The analysis considers gluon fusion and vector boson fusion production of the H, followed by the decay H → aa → μμττ , and considers pseudoscalar masses in the range 3 . 6 < m a < 21 GeV. Because of the large mass difference between the H and the a bosons and the small masses of the a boson decay products, both the μμ and the ττ pairs have high Lorentz boost and are collimated. The ττ reconstruction efficiency is increased by modifying the standard technique for hadronic τ lepton decay reconstruction to account for a nearby muon. No significant signal is observed. Model-independent limits are set at 95% confidence level, as a function of m a , on the branching fraction (ℬ) for H → aa → μμττ , down to 1 . 5 (2 . 0) × 10 − 4 for m H = 125 (300) GeV. Model-dependent limits on ℬ(H → aa) are set within the context of two Higgs doublets plus singlet models, with the most stringent results obtained for Type-III models. These results extend current LHC searches for heavier a bosons that decay to resolved lepton pairs and provide the first such bounds for an H boson with a mass above 125 GeV. 
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  5. Abstract The CEBAF Large Acceptance Spectrometer for operation at 12 GeV beam energy (CLAS12) in Hall B at Jefferson Laboratory is used to study electro-induced nuclear and hadronic reactions. This spectrometer provides efficient detection of charged and neutral particles over a large fraction of the full solid angle. CLAS12 has been part of the energy-doubling project of Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility, funded by the United States Department of Energy. An international collaboration of 48 institutions contributed to the design and construction of detector hardware, developed the software packages for the simulation of complex event patterns, and commissioned the detector systems. CLAS12 is based on a dual-magnet system with a superconducting torus magnet that provides a largely azimuthal field distribution that covers the forward polar angle range up to 35 , and a solenoid magnet and detector covering the polar angles from 35° to 125° with full azimuthal coverage. Trajectory reconstruction in the forward direction using drift chambers and in the central direction using a vertex tracker results in momentum resolutions of 1% and 3%, respectively. Cherenkov counters, time-of-flight scintillators, and electromagnetic calorimeters provide good particle identification. Fast triggering and high data-acquisition rates allow operation at a luminosity of cm−2s−1. These capabilities are being used in a broad program to study the structure and interactions of nucleons, nuclei, and mesons, using polarized and unpolarized electron beams and targets for beam energies up to 11 GeV. This paper gives a general description of the design, construction, and performance of CLAS12. 
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