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Improving topological cluster reconstruction using calorimeter cell timing in ATLAS

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2023

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Report No.: CERN-EP-2023-207; arXiv:2310.16497

Abstract: Clusters of topologically connected calorimeter cells around cells with large absolute signal-to-noise ratio (topo-clusters) are the basis for calorimeter signal reconstruction in the ATLAS experiment. Topological cell clustering has proven performant in LHC Runs 1 and 2. It is, however, susceptible to out-of-time pile-up of signals from soft collisions outside the 25 ns proton-bunch-crossing window associated with the event's hard collision. To reduce this effect, a calorimeter-cell timing criterion was added to the signal-to-noise ratio requirement in the clustering algorithm. Multiple versions of this criterion were tested by reconstructing hadronic signals in simulated events and Run 2 ATLAS data. The preferred version rejects calorimeter cells with a signal-to-noise ratio less than $-4$ or between 4 and 20 for signal times incompatible with the hard collision. This reduces the out-of-time pile-up jet multiplicity by $\sim$50% for jet $p_\text{T}\sim 20$ GeV and by $\sim$80% for jet $p_\text{T} \gtrsim 50$ GeV, while not disrupting the reconstruction of hadronic signals of interest, and improving the jet energy resolution by up to 5% for $20 < p_\text{T} < 30$ GeV. Pile-up is also suppressed for other physics objects based on topo-clusters (electrons, photons, $\tau$-leptons), reducing the overall event size on disk by about 6% in early Run 3 pile-up conditions. Offline reconstruction for Run 3 includes the timing requirement.

Keyword(s): jet, energy resolution ; cluster, topological ; jet, multiplicity ; pile-up ; calorimeter ; ATLAS ; GeV ; photon ; electron ; off-line ; CERN LHC Coll ; suppression ; performance


Note: 58 pages in total, author list starting page 40, 18 figures, 4 tables, submitted to EPJC. All figures including auxiliary figures are available at http://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/JETM-2023-01

Contributing Institute(s):
  1. LHC/ATLAS Experiment (ATLAS)
Research Program(s):
  1. 611 - Fundamental Particles and Forces (POF4-611) (POF4-611)
Experiment(s):
  1. LHC: ATLAS

Appears in the scientific report 2023
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Improving topological cluster reconstruction using calorimeter cell timing in ATLAS
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