[論文レビュー] Beam test performance studies of CMS Phase-2 Outer Tracker module prototypes

The Tracker Group of the CMS Collaboration, Bergauer, T.+782 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle Detector Development and Performance被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、CMS Phase-2 Outer Tracker用のプロトタイプ2Sモジュールのビームテスト結果を提示しており、CMSバイナリチップ（CBC）、コンセントレーター統合回路（CIC）、光デジタイゼーション読み出し、およびモジュール内電源変換の組み合わせが、横運動量（pT）識別に99.75%のクラスタ効率と99%のスタブ効率を達成する同期読み出しを可能にすることを示している。性能は、予想されるフルエンスの91%に放射線照射された状態でもHL-LHCの要件を満たしている。

ABSTRACT

A new tracking detector will be installed as part of thePhase-2 upgrade of the CMS detector for the high-luminosity LHC era.This tracking detector includes the Inner Tracker, equipped withsilicon pixel sensor modules, and the Outer Tracker, consisting ofmodules with two parallel stacked silicon sensors. The Outer Trackerfront-end ASICs will be able to correlate hits from chargedparticles in these two sensors to perform on-module discriminationof transverse momenta (p$_{T}$). The p$_{T}$information is generated at a frequency of 40 MHz and will be usedin the Level-1 trigger decision of CMS. Prototypes of theso-called 2S modules were tested at the Test Beam Facility at DESYHamburg between 2019 and 2020. These modules use the finalfront-end ASIC, the CMS Binary Chip (CBC), and for the firsttime the Concentrator Integrated Circuit (CIC), optical readoutand on-module power conversion. In total, seven modules were tested,one of which was assembled with sensors irradiated with protons. Animportant aspect was to show that it is possible to read out modulessynchronously. A cluster hit efficiency of about 99.75 % wasachieved for all modules. The CBC p$_{T}$ discriminationmechanism has been verified to work together with the CIC andoptical readout. The measured module performance meets therequirements for operation in the upgraded CMS tracking detector.

研究の動機と目的

• 本研究の目的は、CMS Phase-2 Outer Trackerアップグレード用の2Sモジュール・プロトタイプのビームテスト条件下での性能を検証することにある。
• 本研究は、CBCチップのpT識別メカニズムがCICおよび光デジタイゼーション読み出しシステムと組み合わせて正常に機能することを検証することを目的としている。
• 放射線損傷がモジュール性能に与える影響を評価することを目的としている。特に、4.6×10¹⁴ neq/cm²に照射されたセンサーを対象としている。
• 本研究は、放射線照射およびアニール処理後にモジュール性能が仕様範囲内に保たれることを確認することを目的としている。これは、HL-LHCの環境を模擬したものである。
• 本研究は、ビーム環境下で複数のモジュール間で同期読み出し機能と安定した相関関係を維持できることを示すことにある。

提案手法

• 7つのフルサイズの2Sモジュール・プロトタイプが、DESYテストビーム施設で電子ビームを用いてテストされた。
• モジュールは最終版のCBCフロントエンドASIC、光デジタイゼーション用のCIC、およびモジュール内電源変換を採用した。
• データ取得には、参照用の検出器を備えたテレスコープシステムを用いたトラック再構築を実行するカスタムソフトウェアパイプラインが使用された。
• CBCチップは、プログラム可能な検索ウィンドウ内で2枚のスタックされたシリコンストリップセンサーからのヒットを相関させることで、モジュール内でのpT識別を実行した。
• 放射線照射済みセンサーは、4000 fb⁻¹の寿命終了状態を模擬するため、室温で200日間のアニール処理を経てテストされた。
• 効率、エネルギー分解能、ノイズ、電荷共有の評価を目的として、複数のしきい値、センサー位置、ビーム入射角を用いて性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2Sモジュール・プロトタイプは、ビーム環境下で高いクラスタ効率を達成する同期読み出しを実現できるか？
• RQ2 CICおよび光デジタイゼーション読み出しシステムと組み合わせたCBCチップのpT識別論理は、正しく機能するか？
• RQ3 予想されるフルエンスの91%に達する放射線損傷が、クラスタ効率およびpT識別性能に与える影響は何か？
• RQ4 特に放射線照射済みモジュールにおいて、センサー表面全体での効率に空間的依存性があるか？
• RQ5 ビーム環境下で複数のモジュール間で、スタブの位置相関が安定して維持されるか？

主な発見

• すべてのモジュール、放射線照射済みセンサーを含むものも含めて、クラスタヒット効率が99.75%に達した。
• CBCベースのpT識別メカニズムは、6000 e⁻未満のしきい値で、放射線照射済みセンサーを含めても約99%のスタブ効率を達成した。
• 200日間のアニール処理後も、放射線照射済みセンサーのpT識別性能に顕著な劣化は観察されなかった。
• クラスタ効率はセンサー表面の異なる位置で顕著な変動を示さず、均一な性能を示した。
• モジュール1とモジュール3間のスタブ位置相関は、約550 µmの残差幅を示し、予想される多重散乱およびビーム入射角と整合的であった。
• システムは安定した読み出しと信頼性の高いモジュール間相関を示し、ビーム環境下での同期動作の実現可能性を確認した。