[論文レビュー] ATLAS Muon Detector Commissioning

E. B. Diehl|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2009

Particle Detector Development and Performance被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、2009年のLHC初回衝突の前に行われた宇宙線を用いたATLASミューオン・スペンサの起動に関するものである。MDT、RPC、TGC、CSCおよび光学的アライメントシステムの性能検証に成功し、チャンバ位置分解能が50 μm未塔、トリガおよびトラッキング効率が95%以上を達成した。これにより、衝突データにおける高精度なミューオン運動量測定への準備が整った。

ABSTRACT

The ATLAS muon spectrometer consists of several major components: Monitored Drift Tubes (MDTs) for precision measurements in the bending plane of the muons, supplemented by Cathode Strip Chambers (CSC) in the high eta region; Resistive Plate Chambers (RPCs) and Thin Gap Chambers (TGCs) for trigger and second coordinate measurement in the barrel and endcap regions, respectively; an optical alignment system to track the relative positions of all chambers; and, finally, the world's largest air-core magnetic toroid system. We will describe the status and commissioning of the muon system with cosmic rays and plans for commissioning with early beams.

研究の動機と目的

• LHC初回衝突の前に行われた宇宙線データを用いて、ATLASミューオン・スペンサの各部品の起動と性能検証を行う。
• 250 GeVでのミューオン運動量分解能が3%に達するよう、精度の高いトラッキングおよびトリガシステムが設計仕様を満たしていることを保証する。
• 光学センサおよびトラックベースのアライメント技術を用いて、50 μm未塔の精度でミューオン・スペンサをキャリブレーションおよびアライメントする。
• トリガチャンバ（RPC、TGC、CSC）の機能性および効率、および精密トラッキングチャンバとの統合を検証する。
• 宇宙線およびテストビームデータを用いてキャリブレーションおよびアライメント手順の検証を行い、衝突データへの準備を整える。

提案手法

• 2008年から2009年にかけて収集された宇宙線データを用いて、すべてのミューオン・スペンサ部品の起動およびテストを実施した。
• 磁場マップとチャンバ位置再構成を50 μm未塔の精度で行うために、1850個のホールセンサと12,000個の光学アライメントセンサのネットワークを用いた。
• MDTのドリフト時間スペクトルにフェルミ・ディラック分布をフィットしてタイミングオフセット（T₀）を決定し、自己キャリブレーションを用いて時間-空間変換関数（RT）を最適化した。
• 直線的な宇宙線トラックを用いたトラックベースのアライメントにより、光学センサで完全に解消されない残存するアライメント誤差を補正した。
• 光学センサとトラックベース補正を組み合わせて、光学カバレッジが部分的であるバーレル領域における3次元チャンバ幾何学の検証および精緻化を実施した。
• RPC、TGC、CSCにおける効率およびノイズ測定を実施し、トリガチャンバと精密トラッキングチャンバ間のヒット相関を用いてシステム機能性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線起動の過程で、RPC、TGC、CSCチャンバのノイズ、占有率、効率はどの程度の性能を示したか？
• RQ2 光学アライメントシステムとトラックベースのアライメントは、バーレルおよびエンドキャップ領域におけるチャンバのアライメント誤差をどの程度補正できるか？
• RQ3 宇宙線データを用いたMDTチャンバの分解能はどの程度達成可能であり、テストビーム結果と比較してどうなるか？
• RQ4 MDTのタイミングオフセット（T₀）および時間-空間関数（RT）のキャリブレーション手順を、テストビームレベルの性能に近づけるために宇宙線データに適用できるか？
• RQ5 宇宙線のタイミングジッターがMDT分解能に与える影響は何か？ また、テストビーム性能に一致するようにこれを軽減できるか？

主な発見

• RPCは約0.1 Hz/cm²のノイズ率を示し、均一な占有率を示した。2009年7月時点で606個のチャンバのうち95.5%が正常に稼働していた。
• TGCは99.9%のチャンバ機能性を示し、2850 Vで95%の効率、バッチクロージング読出し効率が99.14%であった。
• ファームウェアの更新後、CSCは98.5%のレイヤ機能性を達成した。入射角4°以内のトラックに対しては約60 μmのトラッキング分解能を示した。
• 宇宙線データにおけるMDT分解能は、テストビームデータと比較して約2 nsのタイミングジッターによる劣化を示したが、イベントごとのT₀フィッティングにより残存ジッターが低減された。
• 自己キャリブレーション後、MDTのトラッキング残差はチューブ半径にわたって平坦かつ狭く、キャリブレーションおよびアライメントの成功が裏付けられた。
• 光学アライメントにより、直線的な宇宙線トラックの誤ったサジッタ分布がゼロ（中央）から15 μm以内に収束した。一方、トラックベース補正によりバーレル部のアライメント精度が30 μm以内に向上し、光学システム単体の100–200 μm精度を上回った。