Abstract
This paper introduces a novel track-length extension fitting algorithm for measuring the kinetic energies of inelastically interacting particles in liquid argon time projection chambers (LArTPCs). The algorithm finds the most probable offset in track length for a track-like object by comparing the measured ionization density as a function of position with a theoretical prediction of the energy loss as a function of the energy, including models of electron recombination and detector response. The algorithm can be used to measure the energies of particles that interact before they stop, such as charged pions that are absorbed by argon nuclei. The algorithm’s energy measurement resolutions and fractional biases are presented as functions of particle kinetic energy and number of track hits using samples of stopping secondary charged pions in data collected by the ProtoDUNE-SP detector, and also in a detailed simulation. Additional studies describe the impact of the dE/dx model on energy measurement performance. The method described in this paper to characterize the energy measurement performance can be repeated in any LArTPC experiment using stopping secondary charged pions.
| Original language | English |
|---|---|
| Article number | P02021 |
| Journal | Journal of Instrumentation |
| Volume | 20 |
| Issue number | 2 |
| DOIs | |
| Publication status | Published - 1 Feb 2025 |
| Externally published | Yes |
Keywords
- Neutrino detectors
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- fitting methods
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In: Journal of Instrumentation, Vol. 20, No. 2, P02021, 01.02.2025.
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T1 - The track-length extension fitting algorithm for energy measurement of interacting particles in liquid argon TPCs and its performance with ProtoDUNE-SP data
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AU - Montanari, C.
AU - Montanari, D.
AU - Montanino, D.
AU - Montaño Zetina, L. M.
AU - Mooney, M.
AU - Moor, A. F.
AU - Moore, Z.
AU - Moreno, D.
AU - Moreno-Palacios, O.
AU - Morescalchi, L.
AU - Moretti, D.
AU - Moretti, R.
AU - Morris, C.
AU - Mossey, C.
AU - Moura, C. A.
AU - Mouster, G.
AU - Mu, W.
AU - Mualem, L.
AU - Mueller, J.
AU - Muether, M.
AU - Muheim, F.
AU - Muir, A.
AU - Mukhamejanov, Y.
AU - Mulhearn, M.
AU - Munford, D.
AU - Munteanu, L. J.
AU - Muramatsu, H.
AU - Muraz, J.
AU - Murphy, M.
AU - Murphy, T.
AU - Muse, J.
AU - Mytilinaki, A.
AU - Nachtman, J.
AU - Nagai, Y.
AU - Nagu, S.
AU - Nandakumar, R.
AU - Naples, D.
AU - Narita, S.
AU - Navrer-Agasson, A.
AU - Nayak, N.
AU - Nebot-Guinot, M.
AU - Nehm, A.
AU - Nelson, J. K.
AU - Neogi, O.
AU - Nesbit, J.
AU - Nessi, M.
AU - Newbold, D.
AU - Newcomer, M.
AU - Nichol, R.
AU - Nicolas-Arnaldos, F.
AU - Nikolica, A.
AU - Nikolov, J.
AU - Niner, E.
AU - Nishimura, K.
AU - Norman, A.
AU - Norrick, A.
AU - Novella, P.
AU - Nowak, A.
AU - Nowak, J. A.
AU - Oberling, M.
AU - Ochoa-Ricoux, J. P.
AU - Oh, S.
AU - Oh, S. B.
AU - Olivier, A.
AU - Olshevskiy, A.
AU - Olson, T.
AU - Onel, Y.
AU - Onishchuk, Y.
AU - Oranday, A.
AU - Osbiston, M.
AU - Osorio Vélez, J. A.
AU - O’Sullivan, L.
AU - Otiniano Ormachea, L.
AU - Ott, J.
AU - Pagani, L.
AU - Palacio, G.
AU - Palamara, O.
AU - Palestini, S.
AU - Paley, J. M.
AU - Pallavicini, M.
AU - Palomares, C.
AU - Pan, S.
AU - Panda, P.
AU - Panduro Vazquez, W.
AU - Pantic, E.
AU - Paolone, V.
AU - Papaleo, R.
AU - Papanestis, A.
AU - Papoulias, D.
AU - Paramesvaran, S.
AU - Paris, A.
AU - Parke, S.
AU - Parozzi, E.
AU - Parsa, S.
AU - Parsa, Z.
AU - Parveen, S.
AU - Parvu, M.
AU - Pasciuto, D.
AU - Pascoli, S.
AU - Pasqualini, L.
AU - Pasternak, J.
AU - Patrick, C.
AU - Patrizii, L.
AU - Patterson, R. B.
AU - Patzak, T.
AU - Paudel, A.
AU - Paulucci, L.
AU - Pavlovic, Z.
AU - Pawloski, G.
AU - Payne, D.
AU - Pec, V.
AU - Pedreschi, E.
AU - Peeters, S. J.M.
AU - Pellico, W.
AU - Pena Perez, A.
AU - Pennacchio, E.
AU - Penzo, A.
AU - Peres, O. L.G.
AU - Perez Gonzalez, Y. F.
AU - Pérez-Molina, L.
AU - Pernas, C.
AU - Perry, J.
AU - Pershey, D.
AU - Pessina, G.
AU - Petrillo, G.
AU - Petta, C.
AU - Petti, R.
AU - Pfaff, M.
AU - Pia, V.
AU - Pickering, L.
AU - Pietropaolo, F.
AU - Pimentel, V. L.
AU - Pinaroli, G.
AU - Pincha, S.
AU - Pinchault, J.
AU - Pitts, K.
AU - Plows, K.
AU - Pollack, C.
AU - Pollman, T.
AU - Pompa, F.
AU - Pons, X.
AU - Poonthottathil, N.
AU - Popov, V.
AU - Poppi, F.
AU - Porter, J.
AU - Porto Paixão, L. G.
AU - Potekhin, M.
AU - Potenza, R.
AU - Pozzato, M.
AU - Prakash, T.
AU - Pratt, C.
AU - Prest, M.
AU - Psihas, F.
AU - Pugnere, D.
AU - Qian, X.
AU - Queen, J.
AU - Raaf, J. L.
AU - Radeka, V.
AU - Rademacker, J.
AU - Radics, B.
AU - Raffaelli, F.
AU - Rafique, A.
AU - Raguzin, E.
AU - Rahaman, U.
AU - Rai, M.
AU - Rajagopalan, S.
AU - Rajaoalisoa, M.
AU - Rakhno, I.
AU - Rakotondravohitra, L.
AU - Ralte, L.
AU - Ramirez Delgado, M. A.
AU - Ramson, B.
AU - Rappoldi, A.
AU - Raselli, G.
AU - Ratoff, P.
AU - Ray, R.
AU - Razafinime, H.
AU - Razakamiandra, R. F.
AU - Rea, E. M.
AU - Real, J. S.
AU - Rebel, B.
AU - Rechenmacher, R.
AU - Reichenbacher, J.
AU - Reitzner, S. D.
AU - Rejeb Sfar, H.
AU - Renner, E.
AU - Renshaw, A.
AU - Rescia, S.
AU - Resnati, F.
AU - Restrepo, Diego
AU - Reynolds, C.
AU - Ribas, M.
AU - Riboldi, S.
AU - Riccio, C.
AU - Riccobene, G.
AU - Ricol, J. S.
AU - Rigan, M.
AU - Rincón, E. V.
AU - Ritchie-Yates, A.
AU - Ritter, S.
AU - Rivera, D.
AU - Rivera, R.
AU - Robert, A.
AU - Rocabado Rocha, J. L.
AU - Rochester, L.
AU - Roda, M.
AU - Rodrigues, P.
AU - Rodriguez Alonso, M. J.
AU - Rodriguez Rondon, J.
AU - Rosauro-Alcaraz, S.
AU - Rosier, P.
AU - Ross, D.
AU - Rossella, M.
AU - Rossi, M.
AU - Ross-Lonergan, M.
AU - Roy, N.
AU - Roy, P.
AU - Rubbia, C.
AU - Ruggeri, A.
AU - Ruiz Ferreira, G.
AU - Russell, B.
AU - Ruterbories, D.
AU - Rybnikov, A.
AU - Sacerdoti, S.
AU - Saha, S.
AU - Sahoo, S. K.
AU - Sahu, N.
AU - Sala, P.
AU - Samios, N.
AU - Samoylov, O.
AU - Sanchez, M. C.
AU - Sánchez Bravo, A.
AU - Sánchez-Castillo, A.
AU - Sanchez-Lucas, P.
AU - Sandberg, V.
AU - Sanders, D. A.
AU - Sanfilippo, S.
AU - Sankey, D.
AU - Santoro, D.
AU - Saoulidou, N.
AU - Sapienza, P.
AU - Sarasty, C.
AU - Sarcevic, I.
AU - Sarra, I.
AU - Savage, G.
AU - Savinov, V.
AU - Scanavini, G.
AU - Scaramelli, A.
AU - Scarff, A.
AU - Schefke, T.
AU - Schellman, H.
AU - Schifano, S.
AU - Schlabach, P.
AU - Schmitz, D.
AU - Schneider, A. W.
AU - Scholberg, K.
AU - Schukraft, A.
AU - Schuld, B.
AU - Segade, A.
AU - Segreto, E.
AU - Selyunin, A.
AU - Selyunin, A.
AU - Senadheera, D.
AU - Senise, C. R.
AU - Sensenig, J.
AU - Shaevitz, M. H.
AU - Shanahan, P.
AU - Sharma, P.
AU - Kumar, R.
AU - Sharma Poudel, S.
AU - Shaw, K.
AU - Shaw, T.
AU - Shchablo, K.
AU - Shen, J.
AU - Shepherd-Themistocleous, C.
AU - Sheshukov, A.
AU - Shi, J.
AU - Shi, W.
AU - Shin, S.
AU - Shivakoti, S.
AU - Shoemaker, I.
AU - Shooltz, D.
AU - Shrock, R.
AU - Siddi, B.
AU - Siden, M.
AU - Silber, J.
AU - Simard, L.
AU - Sinclair, J.
AU - Sinev, G.
AU - Singh, Jaydip
AU - Singh, J.
AU - Singh, L.
AU - Singh, P.
AU - Singh, V.
AU - Singh Chauhan, S.
AU - Sipos, R.
AU - Sironneau, C.
AU - Sirri, G.
AU - Siyeon, K.
AU - Skarpaas, K.
AU - Smedley, J.
AU - Smith, E.
AU - Smith, J.
AU - Smith, P.
AU - Smolik, J.
AU - Smy, M.
AU - Snape, M.
AU - Snider, E. L.
AU - Snopok, P.
AU - Snowden-Ifft, D.
AU - Soares Nunes, M.
AU - Sobel, H.
AU - Soderberg, M.
AU - Sokolov, S.
AU - Solano Salinas, C. J.
AU - Söldner-Rembold, S.
AU - Solomey, N.
AU - Solovov, V.
AU - Sondheim, W. E.
AU - Sorel, M.
AU - Sotnikov, A.
AU - Soto-Oton, J.
AU - Sousa, A.
AU - Soustruznik, K.
AU - Spinella, F.
AU - Spitz, J.
AU - Spooner, N. J.C.
AU - Spurgeon, K.
AU - Stalder, D.
AU - Stancari, M.
AU - Stanco, L.
AU - Steenis, J.
AU - Stein, R.
AU - Steiner, H. M.
AU - Steklain Lisbôa, A. F.
AU - Stepanova, A.
AU - Stewart, J.
AU - Stillwell, B.
AU - Stock, J.
AU - Stocker, F.
AU - Stokes, T.
AU - Strait, M.
AU - Strauss, T.
AU - Strigari, L.
AU - Stuart, A.
AU - Suarez, J. G.
AU - Subash, J.
AU - Surdo, A.
AU - Suter, L.
AU - Sutera, C. M.
AU - Sutton, K.
AU - Suvorov, Y.
AU - Svoboda, R.
AU - Swain, S. K.
AU - Szczerbinska, B.
AU - Szelc, A. M.
AU - Sztuc, A.
AU - Taffara, A.
AU - Talukdar, N.
AU - Tamara, J.
AU - Tanaka, H. A.
AU - Tang, S.
AU - Taniuchi, N.
AU - Tapia Casanova, A. M.
AU - Tapia Oregui, B.
AU - Tapper, A.
AU - Tariq, S.
AU - Tarpara, E.
AU - Tatar, E.
AU - Tayloe, R.
AU - Tedeschi, D.
AU - Teklu, A. M.
AU - Tena Vidal, J.
AU - Tennessen, P.
AU - Tenti, M.
AU - Terao, K.
AU - Terranova, F.
AU - Testera, G.
AU - Thakore, T.
AU - Thea, A.
AU - Thomas, S.
AU - Thompson, A.
AU - Thorn, C.
AU - Timm, S. C.
AU - Tiras, E.
AU - Tishchenko, V.
AU - Tiwari, S.
AU - Todorović, N.
AU - Tomassetti, L.
AU - Tonazzo, A.
AU - Torbunov, D.
AU - Torti, M.
AU - Tortola, M.
AU - Tortorici, F.
AU - Tosi, N.
AU - Totani, D.
AU - Toups, M.
AU - Touramanis, C.
AU - Tran, D.
AU - Travaglini, R.
AU - Trevor, J.
AU - Triller, E.
AU - Trilov, S.
AU - Truchon, J.
AU - Truncali, D.
AU - Trzaska, W. H.
AU - Tsai, Y.
AU - Tsai, Y. T.
AU - Tsamalaidze, Z.
AU - Tsang, K. V.
AU - Tsverava, N.
AU - Tu, S. Z.
AU - Tufanli, S.
AU - Tunnell, C.
AU - Turnberg, S.
AU - Turner, J.
AU - Tuzi, M.
AU - Tyler, J.
AU - Tyley, E.
AU - Tzanov, M.
AU - Uchida, M. A.
AU - Ureña González, J.
AU - Urheim, J.
AU - Usher, T.
AU - Utaegbulam, H.
AU - Uzunyan, S.
AU - Vagins, M. R.
AU - Vahle, P.
AU - Valder, S.
AU - Valdiviesso, G. A.
AU - Valencia, E.
AU - Valentim, R.
AU - Vallari, Z.
AU - Vallazza, E.
AU - Valle, J. W.F.
AU - Van Berg, R.
AU - Van de Water, R. G.
AU - Forero, D. V.
AU - Vannozzi, A.
AU - Van Nuland-Troost, M.
AU - Varanini, F.
AU - Vargas Oliva, D.
AU - Vasina, S.
AU - Vaughan, N.
AU - Vaziri, K.
AU - Vázquez-Ramos, A.
AU - Vega, J.
AU - Ventura, S.
AU - Verdugo, A.
AU - Vergani, S.
AU - Verzocchi, M.
AU - Vetter, K.
AU - Vicenzi, M.
AU - Vieira de Souza, H.
AU - Vignoli, C.
AU - Vilela, C.
AU - Villa, E.
AU - Viola, S.
AU - Viren, B.
AU - Vizarreta, R.
AU - Vizcaya Hernandez, A. P.
AU - Vuong, Q.
AU - Waldron, A. V.
AU - Wallbank, M.
AU - Walsh, J.
AU - Walton, T.
AU - Wang, H.
AU - Wang, J.
AU - Wang, L.
AU - Wang, M. H.L.S.
AU - Wang, X.
AU - Wang, Y.
AU - Warburton, K.
AU - Warner, D.
AU - Warsame, L.
AU - Wascko, M. O.
AU - Waters, D.
AU - Watson, A.
AU - Wawrowska, K.
AU - Weber, A.
AU - Weber, C. M.
AU - Weber, M.
AU - Wei, H.
AU - Weinstein, A.
AU - Westerdale, S.
AU - Wetstein, M.
AU - Whalen, K.
AU - White, A.
AU - White, A.
AU - Whitehead, L. H.
AU - Whittington, D.
AU - Wilhlemi, J.
AU - Wilking, M. J.
AU - Wilkinson, A.
AU - Wilkinson, C.
AU - Wilson, F.
AU - Wilson, R. J.
AU - Winter, P.
AU - Wisniewski, W.
AU - Wolcott, J.
AU - Wolfs, J.
AU - Wongjirad, T.
AU - Wood, A.
AU - Wood, K.
AU - Worcester, E.
AU - Worcester, M.
AU - Wospakrik, M.
AU - Wresilo, K.
AU - Wret, C.
AU - Wu, S.
AU - Wu, W.
AU - Wu, W.
AU - Wurm, M.
AU - Wyenberg, J.
AU - Xiao, Y.
AU - Xiotidis, I.
AU - Yaeggy, B.
AU - Yahlali, N.
AU - Yandel, E.
AU - Yang, J.
AU - Yang, K.
AU - Yang, T.
AU - Yankelevich, A.
AU - Yershov, N.
AU - Yonehara, K.
AU - Young, T.
AU - Yu, B.
AU - Yu, H.
AU - Yu, J.
AU - Yu, Y.
AU - Yuan, W.
AU - Zaki, R.
AU - Zalesak, J.
AU - Zambelli, L.
AU - Zamorano, B.
AU - Zani, A.
AU - Zapata, O.
AU - Zazueta, L.
AU - Zeller, G. P.
AU - Zennamo, J.
AU - Zeug, K.
AU - Zhang, C.
AU - Zhang, S.
AU - Zhao, M.
AU - Zhivun, E.
AU - Zimmerman, E. D.
AU - Zucchelli, S.
AU - Zuklin, J.
AU - Zutshi, V.
AU - Zwaska, R.
N1 - Publisher Copyright: © 2025 CERN.
PY - 2025/2/1
Y1 - 2025/2/1
N2 - This paper introduces a novel track-length extension fitting algorithm for measuring the kinetic energies of inelastically interacting particles in liquid argon time projection chambers (LArTPCs). The algorithm finds the most probable offset in track length for a track-like object by comparing the measured ionization density as a function of position with a theoretical prediction of the energy loss as a function of the energy, including models of electron recombination and detector response. The algorithm can be used to measure the energies of particles that interact before they stop, such as charged pions that are absorbed by argon nuclei. The algorithm’s energy measurement resolutions and fractional biases are presented as functions of particle kinetic energy and number of track hits using samples of stopping secondary charged pions in data collected by the ProtoDUNE-SP detector, and also in a detailed simulation. Additional studies describe the impact of the dE/dx model on energy measurement performance. The method described in this paper to characterize the energy measurement performance can be repeated in any LArTPC experiment using stopping secondary charged pions.
AB - This paper introduces a novel track-length extension fitting algorithm for measuring the kinetic energies of inelastically interacting particles in liquid argon time projection chambers (LArTPCs). The algorithm finds the most probable offset in track length for a track-like object by comparing the measured ionization density as a function of position with a theoretical prediction of the energy loss as a function of the energy, including models of electron recombination and detector response. The algorithm can be used to measure the energies of particles that interact before they stop, such as charged pions that are absorbed by argon nuclei. The algorithm’s energy measurement resolutions and fractional biases are presented as functions of particle kinetic energy and number of track hits using samples of stopping secondary charged pions in data collected by the ProtoDUNE-SP detector, and also in a detailed simulation. Additional studies describe the impact of the dE/dx model on energy measurement performance. The method described in this paper to characterize the energy measurement performance can be repeated in any LArTPC experiment using stopping secondary charged pions.
KW - Neutrino detectors
KW - Pattern recognition
KW - calibration
KW - cluster finding
KW - fitting methods
UR - https://www.scopus.com/pages/publications/105031828430
U2 - 10.1088/1748-0221/20/02/P02021
DO - 10.1088/1748-0221/20/02/P02021
M3 - Article
AN - SCOPUS:105031828430
SN - 1748-0221
VL - 20
JO - Journal of Instrumentation
JF - Journal of Instrumentation
IS - 2
M1 - P02021
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